Zygophyseter varolai có cơ thể lớn đạt tới chiều dài ước tính khoảng 6,5–7 mét.[2] Răng lớn có ở cả hai hàm cho phép chúng săn con mồi có kích thước lớn.[1] Chúng có xương gò má kéo rất dài, có thể dùng để chứa túi dầu. Giống như cá nhà táng ngày nay, loài này có một vùng rất lớn phía trên hộp sọ chứa túi dầu và mô mỡ. Điều này cho thấy chúng có thể định vị bằng tiếng vang.[4]