Cladoselache esibiva una combinazione di caratteristiche derivate e ancestrali. Aveva caratteristiche anatomiche simili agli attuali squali sgombro della famiglia Lamnidae a causa delle somiglianze nell’ecologia.
Aveva un corpo snello, da cinque a sette fessure branchiali, e un muso corto e arrotondato che aveva una bocca terminale che si apriva nella parte anteriore del cranio. Aveva un’articolazione della mascella molto debole rispetto agli squali moderni, ma lo compensava con muscoli molto forti che chiudevano la mascella. I suoi denti erano multi-cuspidati e lisci, rendendoli adatti per afferrare, ma non strappare o masticare. Cladoselache quindi probabilmente afferrò la preda per la coda e la inghiottì intera.
Le sue spine delle pinne robuste ma leggere erano composte da dentina e smalto. Cladoselache aveva anche una struttura simile a una lama che era posizionata davanti alle pinne dorsali. Queste caratteristiche anatomiche hanno reso il nuoto più facile e veloce.
A differenza della maggior parte degli squali moderni, il Cladoselache era quasi interamente privo di squame ad eccezione di piccole squame cuspidate sui bordi delle pinne, della bocca e intorno agli occhi. Aveva anche potenti chiglie che si estendevano sul lato del gambo della coda e una pinna caudale semi-lunata, con il lobo superiore delle stesse dimensioni dell’inferiore. Questa combinazione ha aiutato con la sua velocità e agilità che è stato utile quando si cerca di superare in astuzia il suo probabile predatore, il pesce placoderma Dunkleosteus lungo 6 metri (20 piedi).