La plupart des serpents de mer atteignent une taille comprise entre 1,2 m et 1,4 m, certains peuvent atteindre 2 m ou plus. L'Hydrophis cyanocinctus atteint 2,5 à 3 m. Ils atteignent un poids d'environ 0,8 à 1,3 kg, pour une taille de 1,8 m. Dans la plupart des cas, les femelles sont plus grandes que les mâles.
Tous les serpents de mer ont une queue en forme de pagaie et beaucoup ont un corps comprimé latéralement - ils ressemblent un peu aux anguilles. Toutefois, contrairement aux poissons, ils n'ont pas de branchies et doivent remonter régulièrement à la surface pour respirer. Néanmoins, ils sont parmi les plus complètement aquatiques de tous les vertébrés respirant de l'air. Parmi ce groupe, on trouve des espèces dont le venin est parmi les plus puissants de tous les serpents. Certains ont des dispositions douces et ne mordent que lorsqu'ils sont provoqués, tandis que d'autres sont beaucoup plus agressifs.
- Tous les serpents sont de bons nageurs, mais seuls les vrais serpents de mer vivent toute leur vie dans l'océan. Non seulement ils y vivent, mais ils y mangent et ont même leurs petits directement dans l'eau. La plupart ne peuvent pas du tout vivre sur la terre ferme. Si une tempête ou de puissants courants les poussent à terre, ils sont incapables de se déplacer. Les serpents de mer n'ont pas de scutelles (écailles spéciales sur le ventre des serpents qui les aident à s'agripper et à glisser sur le sol), donc si un serpent de mer se retrouve sur une plage, il est incapable de se faufiler jusqu'à la mer. Les serpents de mer ont plutôt une queue en forme de pagaie. Avec sa queue, le serpent peut bien nager.
Les serpents de mer ont des narines spéciales qui peuvent se fermer lorsqu'ils vont sous l'eau et s'ouvrir lorsqu'ils remontent pour respirer, comme l'évent d'une baleine (les scientifiques appellent ces narines à valves). Les narines se trouvent en haut de la tête, de sorte que le serpent entier peut rester sous l'eau lorsqu'il remonte pour respirer. Dans sa recherche de nourriture, un serpent de mer peut rester longtemps sous l'eau. Pour ce faire, les serpents de mer ont développé un seul poumon qui est presque aussi long que tout le corps.
La plupart des serpents de mer sont capables de respirer à travers leur peau. C'est inhabituel pour les reptiles, car leur peau est normalement épaisse et écailleuse. Des expériences avec le serpent de mer noir et jaune, Pelamis platurus (une espèce pélagique), ont montré que cette espèce peut obtenir environ 20% de son oxygène de cette manière, ce qui permet des plongées plus longues.
Comme les autres animaux terrestres qui se sont adaptés à la vie en milieu marin, les serpents de mer avalent beaucoup plus de sel que leurs congénères vivant sur terre. Ils le font grâce à leur alimentation et lorsqu'ils avalent par inadvertance de l'eau de mer. Chez les oiseaux et les reptiles, les fonctions rénales sont trop faibles pour éliminer suffisamment de sel. Chez les oiseaux, tels que les pingouins, le sel est éliminé par les glandes nasales. Les iguanes marins des îles Galapagos utilisent le même mécanisme. Les tortues de mer possèdent des glandes lacrymales qui leur permettent de produire des larmes très salées. Mais chez les serpents de mer, les glandes situées sous et autour de la langue leur permettent d'expulser le sel par l'action de leur langue.