Общая длина до 4,6 метров, вес более 2,2 тонн. Передние ласты огромные, крыловидные, служили основным органом передвижения. Размах ластов достигал 5 метров. Длина черепа до 70 см (превышает ширину). Клюв огромный, загнутый (напоминает клюв хищной птицы). Альвеолярная поверхность клюва не заходит назад дальше хоан. Латеральный отросток плечевой кости слабый.
Панцирь редуцирован, хотя и в меньшей степени, чем у современной кожистой черепахи. Сохраняется ряд невральных пластин вдоль позвоночника, возможно, с кожными окостенениями над ними. Срединный киль панциря невысокий, непрерывный. Пластрон с большими звёздчатыми пластинами, в количестве четырёх, между ними — центральная фонтанель. Панцирь не такой плоский, как изображали на старых рисунках, несколько сходен с панцирем современных зелёных черепах по общему виду (за вычетом отсутствия роговых пластинок). При жизни панцирь был покрыт толстой кожей (как у современных взрослых кожистых черепах).
Находки полных скелетов протостегид иногда объясняют тем, что черепахи могли зарываться в ил на дне моря и погружаться в своеобразную спячку, поднимаясь для дыхания лишь раз в несколько часов. Несмотря на огромные размеры, архелоны должны были откладывать яйца на суше — среди современных черепах нет живородящих видов. Действительно, не так давно в прибрежных отложениях Внутреннего мелового моря найдены следы (отпечатки) гнездовий гигантских морских черепах, вероятно архелонов. Есть предположение, что черепахи приплывали во Внутреннее море именно для размножения.
Питание архелона, возможно, напоминало диету современных кожистых черепах — медузы, ракообразные, возможно, аммониты.