Ils sont caractérisés par la présence d'un poumon fonctionnel en plus des branchies habituelles. Cet organe dérive de structures primitives qui ont évolué vers des vessies natatoires dans les lignées aquatiques comme les actinoptérygiens ou vers des poumons fonctionnels dans les lignées plus adaptées à la vie terrestre comme les dipneustes et les premiers tétrapodes.
- Comme les autres sarcoptérygiens, leurs nageoires ventrales s'attachent sur la ceinture scapulaire par un seul os, annonçant les membres des tétrapodes.
c'est-à-dire :
- Nageoire pectorale allongée, avec de nombreux mésomères.
- Tubules rostraux.
- Ramifications postérieures dans les ailerons dorsaux postérieurs.
- Ils sont aussi caractérisés par des plaques dentaires broyeuses. L'émail de leurs dents entrant dans les cavités constituant la cosmine.
- Os pinéal non entouré par les pariétaux.
- Le canal sensoriel infraorbital suit la suture prémaxillaire.
Le dipneuste respire à l'air libre et peut descendre jusqu'à 30 mètres de profondeur. Il peut ramper dans la boue (Neoceratodus fosteri d'Australie). Certains dipneustes (Protoptère d'Afrique et Lépidosirène d'Amérique) s'enkystent en été : ils creusent un terrier dans la vase en début de saison sèche, et sécrètent un mucus qui les enferme dans un cocon.
