הטירנוזאוריים התאפיינו בגוף גדול והלכו על שתי רגליים. גפיהם הקדמיות התנוונו לזרועות קטנות בנות שתי אצבעות כל אחת. זנבם היה ארוך וקשיח ונועד לאזן את גופם שרכן קדימה, בייחוד בזמן מרדפים. צווארם היה עבה ושרירי ונשא גולגולת חזקה בעלת מלתעות אימתניות המצוידות בשניים חרוטיות חדות דמויות פגיון. הם היו טורפים מטילי אימה אשר ניזונו הן על ידי טרף פעיל (כגון של צרטופסיים והדרוזאוריים) והן על ידי אכילת פגרים. הטירנוזאוריים היו משפחה מוצלחת ביותר, והיוו טורפי על בתחומי תפוצתם.
רוב חברי המשפחה היו גדולים למדי (מעל 7 מטר) והגדול שבמשפחה היה הטירנוזאורוס רקס שהגיע לאורך של כ-12.8 מטר ומשקל של עד כ-6.5 טון.