Tyrannosaurus rex là một trong số các động vật ăn thịt lớn nhất mọi thời đại. Mẫu vật hoàn chỉnh lớn nhất, trưng bày ở bảo tàng lịch sử tự nhiên Field với số hiệu FMNH PR2081 và có biệt danh "Sue", dài 12,3 mét (40 ft),[10] và cao 4 mét (13 ft) ngang hông.[4] Ước tính khối lượng có rất nhiều biến đổi, từ nặng hơn 7,2 tấn (7,9 tấn thiếu),[3] tới nhẹ hơn 4,5 tấn (5,0 tấn thiếu),[11][12] ước tính gần đây nhất với khối lượng từ 5,4 tấn (6,0 tấn thiếu) tới 6,8 tấn (7,5 tấn thiếu).[5][13][14][15] Một nghiên cứu 2011 cho thấy cân nặng tối đa của Sue, Tyrannosaurus lớn nhất, là từ 9,5–18,5 tấn (9,3–18,2 tấn Anh; 10,5–20,4 tấn thiếu), mặc dù các tác giả lưu ý rằng các ước tính nặng hơn hay nhẹ hơn dựa trên các mô hình có sai số lớn và họ "cho rằng [chúng] quá ốm, quá mập, hay quá bất cân đối".[10] Packard và đồng nghiệp (2009) cho rằng các ước tính bị thổi phồng; và cân nặng thực của Tyrannosaurus nhỏ hơn so với các ý kiến trước đây.[16] Các ước tính khác kết luận rằng mẫu vật Tyrannosaurus lớn nhất nặng gần[17] hay vượt qua 9 tấn.[10][18][19]

Do số lượng mẫu vật thu hồi tương đối ít và số lượng cá thể rất lớn có mặt tại bất kỳ thời điểm nào khi Tyrannosaurus còn sống, có thể dễ dàng tìm được mẫu vật lớn hơn những mẫu hiện đang được biết đến bao gồm "Sue", tuy vậy việc khám phá ra những cá thể lớn hơn này có thể sẽ là không thể do bản chất hóa thạch chưa hoàn chỉnh.[20] Holtz cũng đã gợi ý rằng "rất hợp lý để nghi ngờ rằng có những cá thể to hơn 10, 15, hoặc thậm chí 20 phần trăm Sue trong bất kỳ quần thể T. rex nào."[21]

Cổ của Tyrannosaurus rex tạo thành một đường cong hình chữ S tự nhiên giống như của các loài khủng long chân thú khác, nhưng nó ngắn và rất cơ bắp để hỗ trợ cái đầu lớn. Chi trước chỉ có hai ngón vuốt,[22] cùng với một xương đốt bàn tay nhỏ cho thấy sự thoái hóa của một ngón thứ ba.[23] Trái lại, chi sau của loài này là một trong những phần dài nhất theo tỷ lệ kích thước với cơ thể của bất kỳ loài chân thú nào. Đuôi của chúng nặng và dài, đôi khi chứa hơn bốn mươi đốt sống, để cân bằng phần đầu và thân lớn. Để bù lại trọng lượng lớn của chúng, nhiều khúc xương được tiến hóa để trở thành rỗng ở bên trong, giảm trọng lượng của chúng mà không làm giảm đáng kể sức mạnh.[22]

Hộp sọ Tyrannosaurus rex lớn nhất được biết đến dài tới 1,52 mét.[4] Một cửa sổ lớn trong hộp sọ giảm trọng lượng và cung cấp thêm diện tích để cơ bắp có thể bám vào, như trong tất cả các loài khủng long chân thú ăn thịt. Nhưng ở khía cạnh khác, hộp sọ của chúng lại khác biệt đáng kể so với các loài ăn thịt không thuộc liên họ Khủng long bạo chúa. Hộp sọ rất rộng ở phía sau nhưng có cái mõm hẹp, cho phép tầm nhìn hai mắt tốt một cách bất thường.[24][25] Xương sọ lớn và mũi và một số xương khác được hợp nhất lại, ngăn cản sự di chuyển giữa chúng; một số lớn xương cũng có các lỗ không khí nhỏ (chứa các "tổ ong" gồm các lỗ hở không khí) mà có thể đã làm cho xương của chúng linh hoạt hơn cũng như giảm nhẹ trọng lượng. Những đặc điểm tăng cường này của hộp sọ là một phần xu hướng của các loài bạo long hướng tới một cú đớp mạnh mẽ, mà dễ dàng vượt qua của tất cả các loài không thuộc tyrannosaurids.[8][26][27] Đầu ngoài của hàm trên có hình chữ U (hầu hết các loài ăn thịt không thuộc tyrannosauroid có hàm trên hình chữ V), làm tăng số lượng mô và xương một con tyrannosaur có thể xé ra với một vết cắn, mặc dù nó cũng làm tăng độ căng ở mặt trước răng.[28][29]

Răng của Tyrannosaurus rex thể hiện sự khác biệt rõ rệt về hình dạng.[22][30] Các răng của mảnh trước hàm của hàm trên được đóng gói chặt chẽ, hình chữ D theo mặt cắt ngang, có các chỗ lồi gia cố trên bề mặt phía sau, là răng cửa (lưỡi của chúng giống như lưỡi của cái đục) và cong ngược lại. Mặt cắt hình chữ D, chỗ chóp tăng cường và đường cong ngược làm giảm nguy cơ răng sẽ bị gãy khi Tyrannosaurus cắn hoặc kéo. Những chiếc răng còn lại rất chắc chắn, giống như "những quả chuối chết người" hơn là dao găm, có khoảng cách rộng hơn và cũng có các chóp củng cố.[31] Những răng ở hàm trên lớn hơn tất cả nhưng cái ở phía sau hàm dưới. Lớn nhất được tìm thấy cho đến nay được ước tính dài 30,5 cm bao gồm cả gốc răng khi nó còn sống, làm cho nó trở thành chiếc răng lớn nhất của bất kỳ loài khủng long ăn thịt nào đã được tìm thấy.[32]

Da và lông vũ

Trong khi không có bằng chứng trực tiếp về loài Tyrannosaurus rex có lông vũ, nhiều nhà khoa học hiện nay cho rằng T. rex có lông trên ít nhất một phần cơ thể,[33] do sự hiện diện của chúng trong các loài có họ hầng gần. Mark Norell của Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Mỹ tóm tắt sự cân bằng của các nghiên cứu bằng cách nói rằng: "chúng tôi có nhiều bằng chứng cho thấy T. rex có lông, ít nhất là ở một giai đoạn nào đó trong cuộc đời, như loài Australopithecine giống như Lucy có tóc."[34]

Bằng chứng đầu tiên cho lông vũ trong các loài tyrannosauroids xuất phát từ các loài nhỏ như Dilong paradoxus, được khám phá tại Thành hệ Yixian của Trung Quốc, và được báo cáo vào năm 2004. Như với nhiều loài khủng long chân thú khủng long đuôi rỗng khác được phát hiện ở Yixian, bộ xương hóa thạch được bảo quản bằng một lớp cấu trúc sợi thường được công nhận là tiền thân của lông vũ.[35] Bởi vì tất cả các hiện tượng da từ tyrannosauroids được biết đến vào thời điểm đó cho thấy bằng chứng về vảy, các nhà nghiên cứu tìm hiểu về Dilong cho rằng đặc điểm về lông có thể tỉ lệ nghịch so với kích thước cơ thể - con vị thành niên sẽ có lông vũ, sau đó rụng lông và chỉ có vảy khi nó lớn lên và không còn cần bộ lông để giữ ấm.[35] Những khám phá tiếp theo cho thấy rằng ngay cả một số tyrannosauroids lớn cũng có lông vũ bao phủ phần lớn cơ thể của chúng, tạo nên ngờ vực về giả thuyết rằng chúng là một đặc điểm liên quan đến kích thước.[36]

Trong khi những vết hằn của da từ một mẫu Tyrannosaurus rex có biệt danh là "Wyrex" (BHI 6230) được phát hiện ở Montana vào năm 2002,,[37] cũng như một số mẫu tyrannosauroid khổng lồ khác, cho thấy ít nhất một vài những vảy khảm nhỏ,[38] Yutyrannus huali (dài tới 9 mét và nặng khoảng 1.400 kg, bao phủ bởi lông vũ trên nhiều phần khác nhau của cơ thể, cho thấy toàn bộ cơ thể của nó được bao phủ bằng lông vũ.[36] Có thể là mức độ và tính chất của lông bao phủ trong các loài tyrannosauroid đã thay đổi theo thời gian để đáp ứng với kích thước cơ thể, khí hậu ấm hơn, hoặc các yếu tố khác.[36] Trong năm 2017, dựa trên các vết hằn da được tìm thấy ở đuôi, háng và cổ của mẫu "Wyrex" (BHI 6230) và các tyrannosaurids họ hàng chặt chẽ khác, người ta cho rằng tyrannosaurid thân lớn có vảy và nếu có lông một phần, thì chúng sẽ bị hạn chế đến lưng.[39]

Một nghiên cứu trong năm 2016 đề xuất rằng khủng long chân thú lớn như Tyrannosaurus có răng bao phủ trong môi như thằn lằn còn sống thay vì răng trần như cá sấu. Điều này dựa trên sự hiện diện của men răng, mà theo nghiên cứu cần phải được giữ nước, một vấn đề không phải đối mặt với động vật thủy sinh như cá sấu hay động vật không răng như chim.[40][41]

Dựa trên so sánh kết cấu xương của Daspletosaurus với cá sấu còn tồn tại, một nghiên cứu chi tiết trong năm 2017 của Thomas D. Carr và các cộng sự cho thấy rằng tyrannosaur có vảy lớn, bằng phẳng trên mõm của chúng. Ở trung tâm của những vảy này là những mảng nhỏ làm từ keratin. Ở cá sấu, các mảng này bao gồm bó của các tế bào thần kinh cảm giác có thể phát hiện các kích thích cơ học, nhiệt và hóa học.[42][43] Họ đã đề xuất rằng tyrannosaurs có lẽ cũng có các bó nơ-ron giác quan dưới vảy khuôn mặt của chúng và có thể sử dụng giác quan này để xác định các đối tượng, đo nhiệt độ tổ của chúng và nhẹ nhàng lấy trứng và con non.[44] Mặc dù nghiên cứu đã không thảo luận rõ ràng bằng chứng cho hay chống lại môi mồm, nhiều hãng tin tức lớn coi đó là bằng chứng chống lại các loài tyrannosaur có đôi môi. So sánh với mô da mặt cá sấu và lời giải thích cá nhân của Thomas D. Carr về những phát hiện được trích dẫn là các bằng chứng hỗ trợ cho kết luận rằng tyrannosaur không có môi.[45][46]