Si l'on ne prend pas en considération les oiseaux (Avialae), les théropodes (dit non-aviens) sont aisément reconnaissables par leur posture bipède et leurs membres antérieurs et postérieurs pourvus de griffes acérées. La grande majorité des théropodes non-aviens possède un crâne dont les mâchoires portent des dents pointues typiques d'une alimentation carnivore. La posture bipède et les dents en forme de lames sont deux caractères ancestraux que l'on retrouve chez les archosaures plus primitifs. Bien que la plupart des théropodes non-aviens fussent des mangeurs de viandes, un grand nombre d'entre eux s'adaptèrent à d'autres régimes alimentaires et devinrent ultérieurement piscivores et même herbivores. Plusieurs taxons ont été également considérés comme des omnivores ainsi que des dinosaures susceptibles de filtrer l'eau pour se nourrir.
Il existe une grande variabilité de taille parmi les théropodes non-aviens puisque certaines estimations donnent à des genres tels que Spinosaurus et Giganotosaurus une longueur de plus de 12 mètres pour un poids excédant 14 tonnes alors que d'autres théropodes non-aviens comme Epidexipteryx et Anchiornis ne devaient pas dépasser 40 centimètres de long pour un poids de quelques 150 grammes.
Des théropodes non-aviens récemment découverts tels que Incisivosaurus pourvu de grandes dents au niveau de la mâchoire supérieure, Limusaurus au long bec corné, Microraptor et ses quatre membres ailés et Epidendrosaurus muni de très longs doigts démontrent également une grande variété de morphologies au sein de ce clade.
La forme du crâne des théropodes est particulièrement variée puisque la tête robuste des Tyrannosauridae et des Carcharodontosauridae contraste avec le crâne long et frêle des Spinosauridae, et le crâne court et édenté des Oviraptosauria. Un grand nombre de théropodes était également muni de crêtes et cornes en tous genres, tels que le Dilophosaurus et d'Oviraptor pourvus d'une crête haute sur toute la tête, de Ceratosaurus et de Spinosaurus ornés d'une petite crête nasale, de Cryolophosaurus muni d'une haute crête en forme de houppe sur l'extrémité postérieure de la tête et de Carnotaurus et Majungasaurus dont le haut du front était garni de petites cornes.
La morphologie des membres antérieurs est également variée. Les Spinosauridae aux bras puissants diffèrent des Ornithomimosauria aux bras longs et grêles, des Tyrannosauridae aux bras atrophiés à deux doigts et des Alvarezsauridae aux membres étrangement réduits à un seul doigt. La forme des griffes des théropodes est elle-même très diverse puisque l'on trouve de larges griffes en forme de faux chez les Spinosauroidea, de longues griffes en forme de lame chez les Therizinosauridae et des griffes courtes et robustes chez les Alvarezsauridae.
Enfin, certains théropodes non-aviens étaient déjà munis d'un duvet et même de plumes, en témoigne la découverte des duveteux Dilong, Beipiaosaurus et Sinocalliopteryx et des dinosaures à plumes Sinornithosaurus, Sinosauropteryx, Caudipteryx et Protarchaeopteryx. Le vol battant était même déjà acquis par certains théropodes tels que Microraptor et Cryptovolans qui étaient munis de quatre ailes (une à chaque membre). Néanmoins, et malgré la présence de plumes sur leur corps, ces théropodes ne sont pas des oiseaux (ils en sont par contre des proches parents).