So với con người hiện đang sống, người Cro-Magnon có cơ thể lực lưỡng hơn và họp sọ lớn hơn.[10] Người Cro-Magnon có gương mặt rộng, mũi nhô ra và không bị hô hay hô rất ít, tương tự như các dân tộc hiện sống ở châu Âu.[11] Một điểm đặc biệt là hố mắt họ hình chữ nhật.[12]

Những nghiên cứu về di truyền học, loại máu của họ và hình dạng xương sọ của họ cho người ta kết luận rằng họ có thể là người Basque là con cháu một phần của người Cro-Magnon nguyên thủy.[13] Một nghiên cứu về ADN người Basque năm 2006 cho thấy một phần trăm sự xuất hiện của mtDNA haplogroup U8a đã là định tuổi từ thời người Cro-Magnon, nhưng các tác giả cho rằng sự xảy ra của nguồn ngốc tổ tiên này quá thấp để có thể cho rằng người Basque là một thí dụ đáng tin cậy về hình dạng bề ngoài của người Cro-Magnon.[14]

Phân tích dùng ADN ti thể cho thấy người Cro-Magnon là một nhóm chị em - có liên quan đến - với các nhóm ("Đại chủng Á"). Hai nhóm này bắt đầu đi hai hướng khác nhau khoảng 50.000 năm trước đây.[15] Da màu sáng đã bắt đầu tiến hóa theo 2 hướng khác nhau trong nhóm người ở châu Á và châu Âu,[16] và rất có thể đã xuất hiện trong nhóm châu Âu chỉ khoảng 6.000 năm trước đây,[17] điều này gợi ý rằng người Cro-Magnon da hơi nâu và rám nắng.[18]Một pho tượng nhỏ bằng ngà tìm thấy ở Dolní Věstonice khoảng 26.000 năm trước cho thấy người Cro-Magnon có tóc thẳng nhưng pho tượng Vệ nữ Brassempouy cho thấy tóc họ quăn và hơi lượn sóng.