Smilodon có kích cỡ tương đương với những loài đại miêu hiện đại, nhưng săn chắc hơn. Nó có vùng thắt lưng thấp, xương vai cao, đuôi ngắn và các chi vận động rộng với đôi bàn chân tương đối ngắn.[1][2] Smilodon nổi tiếng nhất với bộ răng nanh tương đối dài, dài nhất trong những con mèo răng kiếm, chiều dài vào khoảng 28 cm ở loài lớn nhất, S. populator.[1] Răng nanh mảnh và có các răng cưa tốt ở mặt trước và mặt sau..[3] Hộp sọ được cân đối mạnh mẽ với mõm ngắn và rộng. Xương gò má (zygomata) sâu và cong rộng, đỉnh giữa đầu (sagittal) nổi bật, với xương trá hơi lồi lõm. Xương hàm dưới có mép vành ở mỗi bên của mặt trước. Các răng cửa phía trên lớn, sắc sảo và nghiêng về phía trước. Có một khoảng trông giữa giữa các răng cửa và răng hàm của hàm dưới. Các răng cửa phía dưới rộng, bị cong vào và được đặt theo đường thẳng. Răng tiền hàm p3 của hàm dưới có mặt trong hầu hết các mẫu vật đầu tiên, nhưng bị mất trong các mẫu vật sau này; nó chỉ xuất hiện trong 6% mẫu tại La Brea.[4] Có một số tranh luận về việc liệu Smilodon có lưỡng hình tình dục hay không. Một số nghiên cứu về hóa thạch S. fatalis đã tìm thấy sự khác biệt nhỏ giữa giới tính.[5][6] Ngược lại, một nghiên cứu năm 2012 nhận thấy rằng, trong khi các hóa thạch của S. fatalis cho thấy sự khác biệt về kích thước giữa các cá thể nhỏ hơn so với chi Panthera hiện đại, sự khác biệt giữa các giới tính cũng giống nghiên cứu trước ở một số đặc điểm.[7]

S. gracilis là loài nhỏ nhất, được ước tính có trọng lượng từ 55 đến 100 kg, bằng kích thước của một con báo đốm. Chúng tương tự như tổ tiên của chúng là Megantereon có cùng kích thước, nhưng răng và hộp sọ của chi này tiến bộ hơn, gần bằng S. fatalis.[8][9] S. fatalis có kích thước trung bình nằm giữa S. gracilis và S. populator.[1] Nó dao động từ 160 đến 280 kg[8] và đạt đến chiều cao vai 100 cm và chiều dài cơ thể 175 cm.[10] Nó tương tự như một con sư tử theo kích cỡ, nhưng mạnh hơn và cơ bắp hơn, và do đó có khối lượng cơ thể lớn hơn. Hộp sọ của nó cũng tương tự như của Megantereon, mặc dù lớn hơn và có răng nanh lớn hơn.[9] S. populator là một trong những loài mèo lớn nhất được biết đến, với khối lượng cơ thể từ 220 đến 400 kg,[8] và một ước tính tới 470 kg.[11] Nó có độ cao vai là 120 cm.[1] So sánh với hai loài S. fatalis, S. populator mạnh mẽ hơn và có một hộp sọ dài hơn và hẹp hơn với phía trên cao hơn, xương mũi có vị trí cao hơn, xương chẩm thẳng đứng hơn, xương nối cổ tay lớn hơn và chi trước dài hơn một ít so với chi sau.[9][12] Các đường dấu chân lớn từ Argentina (danh pháp phân loại Smilodonichium đã được đề xuất) được quy cho S. populator, và có kích thước vào khoảng 17,6 cm đến 19,2 cm.[13] Con số này lớn hơn các dấu chân của hổ Bengal, các dấu chân đã được so sánh.[14]

Theo truyền thống, mèo răng kiếm đã được khôi phục về mặt nghệ thuật với các đặc điểm bên ngoài tương tự như các loài mèo hiện nay, bởi các họa sĩ như Charles R. Knight phối hợp với các nhà cổ sinh vật học khác nhau vào đầu thế kỷ 20.[15] Năm 1969, nhà cổ sinh vật học GJ Miller thay vào đó đề xuất rằng Smilodon trông rất khác so với một con mèo điển hình mà tương tự hơn với một con Chó bò Anh, với một đường môi dưới (để miệng mở rộng mà không làm rách các mô trên mặt), một cái mũi rút ngắn hơn và tai thấp hơn.[16] Họa sĩ cổ sinh vật Mauricio Antón và các đồng tác giả đã tranh luận điều này vào năm 1998 và duy trì rằng các đặc điểm khuôn mặt của Smilodon nhìn chung không khác mấy so với những con mèo khác. Antón lưu ý rằng động vật hiện đại như hà mã có thể mở mồm với góc rộng mà không làm rách mô bằng cách gập vừa phải của cơ vòng mô, và cấu trúc cơ như vậy tồn tại trong các loài mèo lớn hiện đại.[17] Antón nói rằng sự gộp lại phát sinh loài (nơi mà các đặc điểm của họ hàng gần nhất của một phân loại hóa thạch được sử dụng làm tài liệu tham khảo) là cách đáng tin cậy nhất để khôi phục lại hình dáng của động vật thời tiền sử và do đó, hình phục dựng Smilodon giống mèo của Charles vẫn chính xác.[15]

Smilodon và những con mèo có răng kiếm khác đã được xây dựng lại với cả hai lớp lông không hoa văn và với các đốm (có vẻ là đặc điểm tổ tiên cho Phân bộ Dạng mèo), cả hai đều được coi là có thể.[15] Các nghiên cứu về loài mèo hiện đại đã phát hiện ra rằng các loài sống trong môi trường mở có xu hướng không có hoa văn trong khi những loài sống trong môi trường nhiều thực vật có nhiều vằn hoa văn hơn, với một số ít ngoại lệ.[18] Một số đặc điểm lông, chẳng hạn như bờm của sư tử đực hoặc sọc của hổ, là quá bất thường để dự đoán từ hóa thạch.[15]