Cladoselache exhiben una combinación de derivados y características ancestrales. Tenía características anatómicas similares a los actuales tiburones caballa de la familia Lamnidae debido a similitudes en la ecología.
Tenía un cuerpo aerodinámico, de cinco a siete hendiduras branquiales, y un hocico corto y redondeado que tenía una abertura de boca terminal en la parte delantera del cráneo. Tenía una articulación de mandíbula muy débil en comparación con los tiburones de hoy en día, pero compensaba eso con músculos muy fuertes que cerraban la mandíbula. Sus dientes tenían múltiples cúspides y bordes lisos, por lo que eran adecuados para agarrar, pero no para rasgar ni masticar. Por lo tanto, Cladoselache probablemente agarró a la presa por la cola y se la tragó entera.
Sus espinas de aleta robustas pero ligeras estaban compuestas de dentina y esmalte. El Cladoselache también tenía una estructura en forma de hoja que se colocaba delante de las aletas dorsales. Estas características anatómicas hicieron que nadar fuera más fácil y rápido.
A diferencia de la mayoría de los tiburones modernos, el Cladoselache estaba casi completamente desprovisto de escamas, con la excepción de pequeñas escamas cúspides en los bordes de las aletas, la boca y alrededor de los ojos. También tenía quillas poderosas que se extendían a un lado del tallo de la cola y una aleta de cola semilunada, con el lóbulo superior del mismo tamaño que el inferior. Esta combinación ayudó con su velocidad y agilidad, lo que fue útil cuando se trataba de superar a su probable depredador, el Dunkleosteus, un pez placoderm de 6 metros (20 pies) de largo, fuertemente blindado.