Datheosaurus był stosunkowo niewielkim przedstawicielem Caseasauria – od czubka pyska do ostatniego zachowanego u holotypu kręgu mierzył ok. 90 cm. Wiek holotypu jest trudny do oszacowania. Romer i Price (1940) bazując na słabym skostnieniu nasad kości długich, obecności oddzielonej przedniej kości kruczej oraz przypuszczalnym braku skostnienia tylnej kości kruczej, uznali go za niewyrośniętego osobnika. Według Spindlera i in. (2016) był on jednak znacznie starszy, najpewniej prawie dorosły.
Kość szczękowa wystaje poza przednią krawędź żuchwy, skutkując wydatnym nagryzem pionowym. Kość szczękowa Datheosaurus była wyższa niż u Eothyris i Oedaleops, ale niższa i bardziej zaokrąglona niż u większości przedstawicieli Caseidae. Obecność dużego zagłębienia między grzbietowym a przednim wyrostkiem kości szczękowej wskazuje na obecność dużych i zaokrąglonych nozdrzy. Oczodoły były skierowane grzbietowo-bocznie i znajdowały się połowie długości czaszki. Ich brzuszną krawędź wyznaczała w dużej mierze kość szczękowa, czym bardziej przypominał Eothyris, niż Oedaleops i Caseidae. Kości ciemieniowe były szerokie. Między nimi, w połowie ich długości, znajdowało się duże okno ciemieniowe. Staw szczękowy wydaje się być ustawiony daleko za (o ok. 20% całkowitej długości czaszki) tylną krawędzią sklepienia czaszki.