En octobre 2005, une équipe internationale de chercheurs a effectué des fouilles sur une partie de la Mare aux Songes, le site le plus important de restes de dodos. De nombreux restes ont été trouvés, dont des os des oiseaux à différents stades de maturité et plusieurs os appartenant manifestement au squelette d'un animal seul et conservés en position naturelle. Ces résultats ont été rendus publics en décembre 2005 au Naturalis de Leyde. Avant cela, quelques espèces ayant un lien avec le dodo étaient connues, la plupart de ce qu'on dispose d'elles étant composé d'os isolés et dispersés. Le muséum d'histoire naturelle de Dublin et celui d'Oxford, entre autres, possèdent un modèle de dodo assemblé à partir de ces restes dissociés. Un œuf de dodo est exposé au musée d'East London, en Afrique du Sud.
Jusqu'à récemment, les restes de dodos les mieux en état, actuellement disponibles au muséum d'histoire naturelle d'Oxford, étaient formés d'os de pattes et de crâne, qui contenaient les seuls restes de tissus connues de l'espèce. Le Manchester Museum expose une petite collection d'os de dodos.
Les restes du dernier dodo empaillé connu avaient été conservés par l'Ashmolean Museum d'Oxford, mais au milieu du XVIIIe siècle, l'animal a commencé à se détériorer et le directeur ou le conservateur du musée a ordonné qu'on se débarrasse de celui-ci, à l'exception de ce qu'il en reste aujourd'hui, aux environs de 1755.
En juin 2007, un groupe d'aventuriers explorant une cave située sur l'île Maurice ont trouvé le squelette de dodo le plus complet et le mieux préservé jamais découvert.
D'après les illustrations d'artistes du dodo, celui-ci était doté d'un plumage grisâtre, un bec d'environ 23 centimètres avec une extrémité crochue, de très petites ailes, de robustes pattes jaunes et d'une touffe de plumes sur son derrière. Les dodos étaient de très gros oiseaux, pesant environ 23 kilogrammes. Le sternum était insuffisant pour permettre le vol ; les dodos ont évolué pour s'adapter à un écosystème insulaire sans prédateurs.
L'image traditionnelle du dodo est celle d'un animal gros, maladroit, d'où le synonyme Didus ineptus ; cependant, plusieurs contestations sont nées récemment sur cette approche de l'oiseau. Les scientifiques d'aujourd'hui avancent l'idée que les représentations anciennes du dodo sont celles de dodos suralimentés vivant en captivité. Étant donné que l'île Maurice connaît des saisons sèches et humides, le dodo s'est probablement engraissé lui-même à la fin de la saison humide afin de pouvoir vivre durant la saison sèche, durant laquelle la nourriture se faisait plus rare ; les rapports contemporains décrivent des oiseaux « voraces ». En captivité, où la nourriture est disponible en grande quantité, les dodos se suralimentent très facilement.
Le dodo est un parent proche des pigeons modernes. Les analyses du génome mitochondrial et des séquences d'ADN du dodo suggèrent que ses ancêtres ont divergé de ceux de son plus proche parent connu, la Dronte de Rodriguez (aussi éteinte), aux environs de la frontière Paléogène-Néogène. Comme les îles Mascareignes sont d'origine volcanique et sont vieilles de moins de 10 millions d'années, les ancêtres des deux espèces sont probablement restés capables de voler durant un certain temps après la séparation de leurs lignées. La même étude a aussi été interprétée de façon à montrer que le Nicobar à camail est le plus proche parent vivant du dodo et de l'Ibis de la Réunion.
Cependant, la phylogénie proposée est légèrement discutable concernant les relations avec les autres taxons et doit donc être considérée comme hypothétique jusqu'à de nouvelles recherches ; en regard des données biogéographiques, il est probable qu'elle soit erronée. Tout ce qu'on peut actuellement affirmer avec certitude est que les ancêtres du dodo et du dronte de Rodriguez sont des pigeons d'Asie du Sud ou de Wallacea, ce qui s'accorde avec l'origine de la plupart des oiseaux des Mascareignes. On ignore encore si le dodo et le dronte de Rodriguez sont plus proches du Nicobar à camail ou d'autres groupes de la même lignée telles que les groupes Ducula, Treron ou Goura.
Pendant longtemps, le dodo et le dronte de Rodriguez ont été placés dans une famille qui leur est propre, la famille des Raphidae, car leurs relations avec d'autres groupes d'oiseaux (comme les rallidés) devaient encore être résolues. Depuis peu, il semble plus justifié de voir le dodo et le dronte de Rodriguez comme formant une sous-famille des columbidés.
On sait désormais que le supposé « dodo blanc » est basé sur des mauvaises interprétations de l'Ibis de la Réunion et des peintures de dodos en apparence albinos ; la fréquence de l'albinisme ayant tendance à augmenter occasionnellement chez les espèces insulaires.