Диморфодон был птерозавром примерно 1 м в длину с максимальным размахом крыльев в 1.4 м. У него был относительно крупный, высоко поставленный череп с большими полостями на боках. Эти "окна", состоящие из глазниц, верних и нижних височных полостей, боковых отверствий и ноздрей, разделялись друг от друга только тонкими костяными перегородками. Поэтому, несмотря на свой размер, череп этого птерозавра был очень лёгким.
У Диморфодона было 4 больших передних зуба с каждой стороны верхней челюсти. За ними был ряд зубов поменьше. В нижней челюсти тоже за 4-5 крупными передними зубами на каждой половине челюсти следовало по 30-40 крошечных, но заострённых, зубок. Эта специализация указывает, что эта рептилия питалась рыбой. Как типичный длиннохвостый птерозавр, у Диморфодона был длинных хвост, сделанный из свыше 30 хвостовых позвонков. Первые 5-6 из этих позвонков были короткими, и могли двигаться друг против друга. Последующие хвостовые позвонки были всё более и более длинными, и были жёстко прижаты друг к другу длинными и тонкими отростками. Это устройство длинного, жёсткого хвоста, гибкого только в начале, было связано с его функцией - способом стабилизации птерозавра в полёте, на что ещё указывал факт, что на кончике был небольшой "флюгер", который, наверное, использовался как руль.
Крылья Диморфодона были ещё относительно короткими, что было примитивной чертой. Примечательно, что первый из четырёх фаланг пальца крыла только ненамного длиннее передней части передней лапы, и короче, чем вторая и третья фаланги того же пальца. Задние лапы были черезвычайно мощно развитыми и относительно длинными. Первые четыре пальца были с когтями; пятый был относительно длинными и был направлен в сторону. Точный анализ анатомии таза и задней ноги привёл Кевина Падиана к предположению, что Диморфодон был хорошо приспособлен к птицеобразной походке на двух ногах по земле, его длинный хвост был противовесом большой голове.
Было найдено только несколько экземпляров Диморфодона, в основном - неполные скелеты. Они все принадлежат к одному и тому же виду, Dimorphodon macronyx, и были найдены в Нижнем Лиасе на дорсетском побережье Англии. Один экземпляр, состоющий только из нескольких костей крыла и задних лап, был найден в отложении Нижнего Лиаса утёса Ост на южном берегу Северна в Глостершире. За исключением этого экземпляра, который был куплен для Музея Естественных Наук Пибоди в США О.К. Маршем от английского торговца ископаемыми Брюса М. Райта в 1881 году, все экземпляры на данный день находятся в лондонском Музеее Естественных Наук.