Plesiosaurus osiągał długość od 3,5[1] do 5 m[2]. Jego pysk był krótki, lecz gad ten był w stanie rozwierać szczęki bardzo szeroko. Wzębodołach żuchwy osadzone były 24 pary niewielkich, ostrych, okrągłych w przekroju zębów, a pięć par znajdowało się wkości przedszczękowej. Szyja, mimo iż długa i smukła, zdaje się być raczej mało elastyczna, gdyżkręgi są płasko zakończone. Składała się z około 40 żeber szyjnych i stanowiła do 150% długości tułowia[1]. Od większości innych przedstawicieliPlesiosauroidea odróżniał się stosunkowo mniejszączaszką (16–19 cm długości), krótszą w regionachoczodołowym iskroniowym[3].
Wydłużone płetwy plezjozaura składały się z pięciu palców, ze stosunkowo dużą liczbą kości przypominającychpaliczki[1]. Skamieniałe odciski skóry plezjozaura wskazują, że była ona gładka, a niełuskowata. Nozdrza wewnętrzne znajdowały się niemal dokładnie pod zewnętrznymi[3]. Według O'Keefe'a wieleplezjomorficznych cech osteologicznych łączy plezjozaura z rodzajemThalassiodracon, jednak nie były one ze sobą blisko spokrewnione[4].
Obecnie przeważnie wyróżnia się jedengatunek wchodzący w skład rodzajuPlesiosaurus – pozostałe zostały włączone do innych rodzajów (m.in.:Archaeonectrus,Attenborosaurus,Eretmosaurus,Eurycleidus,Microcleidus,Peloneustes,Rhomaleosaurus,Thalassiodracon) lub zostały uznane za młodsze synonimy już nazwanych[1][3]. O'Keefe uznawał trzy gatunkiPlesiosaurus:typowyP. dolichodeirus,P. guilelmiimperatoris iP. brachypterygius[4], jednak dwa ostatnie bywają klasyfikowane w odrębnych rodzajachSeeleyosaurus iHydrorion[5].
Plesiosaurus jest jednym z przedstawicieli rodziny Plesiosauridae, obejmującej również – według Ketchuma i Bensona (2010) – rodzajeSeeleyosaurus,Hydrorion,Microcleidus iOccitanosaurus[5]. Według analizy przeprowadzonej przez O'Keefe'aPlesiosaurus jesttaksonem siostrzanym dla wszystkich pozostałych Plesiosauroidea[4].
Plezjozaury te żywiły się prawdopodobnie głównierybami – co ułatwiało im przystosowane do tego celu uzębienie oraz długa szyja. Połykały zdobycz w całości, nie przeżuwały. Brak jednak pancerza i stosunkowo niewielkie rozmiary narażały je na ataki większych drapieżników, takich jak m.in. daleko z nimi spokrewnionepliozaury. Najprawdopodobniej plezjozaury były w stanie przez krótki czas przebywać poza wodą, np. w celu złożenia jaj[2]. Jednak znalezisko gatunkuPolycotylus latippinus (Cope), zinterpretowane przez O’Keefe i Chiappe jako ciężarna samica ze znajdującym się wewnątrz jej ciała płodem wskazuje, że ten dość blisko spokrewniony z plezjozaurami gatunek byłżyworodny i w związku z tym nie składał jaj[6].
Nozdrza wewnętrzne znajdowały się niemal dokładnie pod zewnętrznymi, co sugeruje, żePlesiosaurus – w przeciwieństwie do plezjozaurów takich jakkryptoklid czyRhomaleosaurus – nie był w stanie wyczuwać zapachów pod wodą[3].
Wiele doskonale zachowanych i niemal kompletnych szkieletów odkryła na klifach wLyme Regis angielska paleontologMary Anning. W 1821 rokuPlesiosaurus („bliski jaszczur”) został oficjalnie opisany. Jako że był pierwszym opisanym plezjozaurem, wieleskamieniałości przedstawicieli innychtaksonów również błędnie zaliczano do rodzajuPlesiosaurus[1][3].Holotypem gatunku typowego,P. dolichodeirus, jestNHM 22656 (dawniej BMNH 22656), pochodzący z synemuru Lyme Regis[4].
↑abHilary F. Ketchum, Roger B. J. Benson. Global interrelationships of Plesiosauria (Reptilia, Sauropterygia) and the pivotal role of taxon sampling in determining the outcome of phylogenetic analyses. „Biological Reviews”. 85 (2), s. 361–392, 2010.DOI:10.1111/j.1469-185X.2009.00107.x. (ang.).
↑F. R. O’Keefe, L. M. Chiappe. Viviparity and K-selected life history in a Mesozoic marine plesiosaur (Reptilia, Sauropterygia). „Science”. 333 (6044), s. 870-873, 2011.DOI:10.1126/science.1205689. (ang.).