自从第一只真正的海龟在一亿一千万年前白垩纪进化以来，现代棱皮龟的亲属就以某种形式存在。
棱皮龟是所有海龟中流体力学设计最强的，它有一个巨大的泪珠状的身体。一对巨大的前鳍推动海龟穿过水面。像其他海龟一样，棱皮龟有扁平的前肢，适合在大洋游泳。两对鳍状肢都没有爪子。在现存海龟中，棱皮龟的鳍状肢与其身体的比例最大。棱皮龟的前鳍在大样本中可以长到2.7米，是所有海龟中最大的鳍。
棱皮龟有几个区别于其他海龟的特征。它最显著的特征是缺少骨质外壳。它没有盾片，而是有厚而坚韧的皮肤和嵌入的微小骨皮。甲壳上有七条明显的脊，从海龟背部的颅侧到尾侧。棱皮龟在爬行动物中是独一无二的，因为它们的鳞片缺乏β角蛋白。整个海龟的背表面被染成深灰色到黑色，并散布着白色斑点和斑点。海龟的下侧是浅色的，这显示了它的反纹。棱皮龟没有牙齿，而是在上唇的开口处有尖，喉咙(食道)有向后的刺，帮助它吞咽食物，并防止猎物逃跑。
棱皮龟弯曲甲壳长度平均为1-1.75米，总长度为1.83-2.2米，重量为250-700千克。有史以来发现最大经过验证的标本是在巴基斯坦的桑斯比特海滩上发现的，其弯曲甲壳长度为2.13米，重量为650千克。之前的竞争者“哈莱奇海龟”，据称其弯曲甲壳长度为2.565米，重量为916公斤。然而最近对其位于英国卡迪夫国家博物馆的遗骸的检查发现，其真正的弯曲甲壳长度接近1.5米，这也使人对声称重量的准确性产生怀疑。另一方面，一篇科学论文声称，该棱皮龟重达1000千克，但没有提供更多可核实的细节。棱皮龟孵化时不比其他海龟大，因为它们的甲壳平均长61.3毫米，刚孵化时重约46克。
棱皮龟在现存爬行动物中被认为是独一无二的，因为它们能够利用新陈代谢产生的热量或吸热来维持较高的体温。对它们代谢率的初步研究发现，棱皮龟的静止代谢率比它们体型的爬行动物预期的高三倍左右。
棱皮龟似乎利用了高活动率，而不是利用高休息新陈代谢。对野生棱皮龟的研究发现，每天休息的时间可能只有0.1%。这种持续的游泳会产生肌肉产生的热量。与周围的水相比，棱皮龟加上逆流热交换器、绝缘脂肪覆盖物和大尺寸，能够保持较高的温差。已经发现成年棱皮龟的核心体温比它们游泳的水面高出18摄氏度。
棱皮龟是潜水最深的海洋动物之一。据记录，潜水深度达1280米。典型的潜水持续时间在3到8分钟之间，30到70分钟的潜水很少发生。
它们也是速度最快的爬行动物。1992年版的吉尼斯世界纪录列出了棱皮龟在水中以每小时35.28公里的速度游动。不过平时它们以1.80-10.08公里/小时的速度游泳。
棱皮龟是一个世界性的物种。在现存的所有海龟物种中，棱皮龟的分布最广，北起阿拉斯加和挪威，南至非洲的阿古哈斯角和新西兰的最南端。棱皮龟存在于所有热带和亚热带海洋中，其活动范围延伸至北极圈。
三个主要的、基因上不同的种群出现在大西洋、东太平洋和西太平洋。虽然在该地区发现了筑巢海滩，但印度洋的棱皮龟种群总体上仍未受到评估和评估。
最近对棱皮龟全球筑巢数量的估计是，每年有26000至43000只雌性棱皮龟筑巢，比1980年估计的115000只急剧下降。
