On i inne sfenakodonty były pierwszymi przedstawicielami linii ewolucyjnej prowadzącej do ssaków, u których pojawiło się zróżnicowanie zębów – zęby osadzone w przedniej części czaszki (długie kły i podobne do sztyletów odpowiedniki siekaczy) różniły się kształtem i rozmiarem od znacznie mniejszych zębów osadzonych w tyle szczęk. Takie zróżnicowanie zębów ułatwiało dzielenie mięsa na małe, łatwiejsze do strawienia kawałki. Nazwa dimetrodona bezpośrednio nawiązuje do tej cechy jego anatomii: oznacza "zęby o dwóch rozmiarach".
Jego kończyny były silnie umięśnione i proporcjonalnie dłuższe niż u współczesnych mu, daleko z nim spokrewnionych roślinożernych synapsydów, jak Edaphosaurus (u którego, niezależnie od sfenakodontów, również wyewoluował duży "żagiel" na grzbiecie). Wydaje się, że był nieco szybszy i zwinniejszy od swych potencjalnych ofiar, dzięki czemu mógł je dogonić na krótkim dystansie. Niemniej jego nogi były rozstawione na boki jak u współczesnych gadów, co prawdopodobnie utrudniało mu długi pościg; być może atakował swe ofiary z zasadzki.