Rùa da có hình dáng cơ thể giống các loài rùa biển: rộng, dẹp, mình tròn, có 2 đôi chân chèo rộng và đuôi ngắn. Giống các loài rùa biển khác, hai đôi chân chèo của chúng rất phù hợp với cuộc sống ngoài đại dương. Móng ở chân chèo tiêu giảm. Chân chèo của rùa da có tỉ lệ so với cơ thể lớn nhất trong số các loài rùa biển. Đôi chân chèo đằng trước của chúng có thể sải chân lên tới 2,7 mét, dài nhất trong số các loài rùa biển. Vì là loài duy nhất còn sống sót nên rùa da có nhiều đặc điểm dễ phân biệt với các loài rùa biển khác. Đặc điểm dễ nhận thấy nhất là chúng không có mai cứng bằng chất xương. Thay vì có mai, lưng của chúng được bao phủ bởi lớp da dày điểm những đốm nhỏ bằng chất da xương. Chạy dọc lưng chúng là 7 đường gờ riêng biệt. Rùa da là độc đáo duy nhất trong số các loài bò sát ở chỗ vảy của nó không có β-keratin. Toàn bộ phần lưng rùa da có màu xám sẫm hoặc đen và các chấm, vết màu trắng, phần bụng rùa da có màu sáng hơn phần lưng, thể hiện tính tương phản sắc thái[7][8].

Dermochelys coriacea trưởng thành dài 1 đến 2 mét, nặng khoảng 250 đến 700 kg[7]. Con rùa da to nhất được biết dài 3 mét, nặng 916 kilôgam (2.019 lb) ở vùng biển phía tây Wales[9].

Dermochelys coriacea sở hữu một loạt các đặc trưng giải phẫu được coi là gắn liền với cuộc sống trong môi trường nước lạnh, bao gồm lớp mô mỡ nâu che phủ rộng[10], các cơ bơi độc lập về mặt nhiệt độ[11], cơ chế trao đổi nhiệt ngược giữa các chân bơi trước và phần cốt lõi của cơ thể, cũng như một mạng lưới rộng các cơ quan trao đổi nhiệt ngược xung quanh khí quản[12].

Các đặc tính sinh lý

Rùa da được coi là độc đáo trong số các loài bò sát ở khả năng duy trì thân nhiệt cao bằng cách sử dụng nhiệt sinh ra do trao đổi chất, hay thu nhiệt. Các nghiên cứu sơ bộ cho thấy quá trình trao đổi chất của rùa da cao hơn các loài bò sát cùng kích thước khoảng 3 lần[13]. Tuy nhiên, nghiên cứu gần đây sử dụng các đại diện bò sát có kích thước tương đương rùa da trải qua quá trình phát sinh cá thể đã phát hiện thấy rằng tốc độ trao đổi chất trạng thái nghỉ (RMR) của các cá thể Dermochelys coriacea lớn là không khác biệt đáng kể so với các kết quả đã dự đoán dựa theo tương quan sinh trưởng học[14].

Thay vì sử dụng trao đổi chất trạng thái nghỉ cao, rùa da dường như có lợi thế nhờ tốc độ hoạt động cao. Nghiên cứu trên các cá thể D. coriacea hoang dã phát hiện thấy chúng có thể chỉ dùng ít tới 0,1% thời gian trong ngày để nghỉ ngơi[15]. Sự bơi lội liên tục này tạo ra nhiệt có nguồn gốc từ các cơ bắp. Cùng với trao đổi nhiệt ngược, lớp da cách nhiệt dày cùng kích thước lớn, rùa da có thể duy trì các khác biệt nhiệt độ cao so với môi trường nước bao quanh. Chúng có thể duy trì thân nhiệt cao hơn môi trường 18°C (32°F)[16].

Rùa da là loài lặn sâu nhất thế giới. Kỉ lục ghi nhận một con rùa da lặn được sâu hơn 1.200 mét[16][17]. Thời gian lặn trung bình khoảng 3-8 phút, nhưng đôi khi có thể lâu tới 30–70 phút[18].

Chúng cũng là loài bò sát nhanh nhất. Quyển Guinness Book of World Records xuất bản năm 1992 ghi nhận rùa da bơi với tốc độ 9,8 m/s (35,28 km/h)[5][6].