O peixe-boi têm uma média de 400–550 kg de massa, e comprimento médio de 2,8-3,0 m, com máximas avistadas de 3,6 metros e 1775 kg (as fêmeas tendem a ser maiores e mais pesadas). Ao nascer, um filhote de peixe-boi tem um massa média de 30 kg.
O corpo é robusto e maciço, com cauda achatada, larga e disposta de forma horizontal. O peixe-boi-marinho tem a pele rugosa, com a cor variando entre cinza e marrom-acinzentado. A cabeça fica bem junto ao corpo. Pode-se quase afirmar que não tem pescoço, apesar de conseguir movimentar a cabeça em todas as direções. Tem olhos bem pequenos, mas enxerga bem, sendo capaz até mesmo de reconhecer cores. O nariz está bem em cima do focinho, com duas grandes aberturas. Não tem orelhas: os ouvidos são dois pequenos orifícios um pouco atrás dos olhos. Além de escutar os ruídos ao seu redor, o peixe-boi também pode se comunicar através de pequenos gritos chamados vocalizações. Esta comunicação é muito importante entre a mãe e o filhote. A mãe é capaz de reconhecer o seu filhote entre muitos outros apenas pela vocalização.
A boca é grande: os lábios de cima são amplos e se movimentam na hora de pegar o alimento. A dentição desses animais é reduzida a molares, que se regeneram constantemente, em virtude de sua dieta vegetariana quando adultos. Estas folhagens contêm sílica, elemento que desgasta rapidamente os dentes mas os manatis são adaptados, seus molares deslocam-se para a frente cerca de 1 mm por mês e se desprendem quando estão completamente desgastados, sendo substituídos por dentes novos situados na parte posterior da mandíbula.
No focinho, o peixe-boi tem muitos pelos, chamados vibrissas ou pêlos táteis, muito sensíveis ao movimento ou ao toque. Por ser um animal aquático, no lugar das patas dianteiras o peixe-boi tem duas nadadeiras, com unhas arredondadas nas pontas. Em vez das patas traseiras, possui uma grande nadadeira caudal.
Para nadar, o peixe-boi impulsiona sua nadadeira caudal, usando as duas nadadeiras peitorais para controlar os movimentos. Apesar de bastante pesado, consegue ser bem ágil dentro d'água, fazendo muitas manobras e ficando em várias posições. Em média, os peixes-bois nadam com uma velocidade de 5 km/h até 8 km/h (1,4 m/s para 2,2 m/s). No entanto, têm sido vistos nadando a uma velocidade até 30 km/h (8 m/s) em rajadas curtas. Metade do dia de um peixe-boi é gasto dormindo na água, subindo para tomar ar regularmente em intervalos não superiores a 20 minutos. Por ser um mamífero, o peixe-boi precisa ir à superfície para respirar. Como os outros mamíferos, ele respira pelos pulmões. Nos seus mergulhos normais fica apenas de um a cinco minutos debaixo d'água. Já em repouso, pode permanecer até 25 minutos submerso sem respirar.
O peixe-boi da Flórida (T. m. latirostris) pode viver até aos 60 anos e podem movimentar-se livremente entre salinidade extremas. No entanto, o peixe-boi-da-amazônia (T. inunguis) nunca se aventura em água salgada. Têm uma grande flexibilidade preênsil no lábio superior que atua em muitos aspectos como uma tromba curta, algo semelhante a um elefante. Utilizam o lábio para reunir comida, bem como para comunicações e interações sociais. Os seus pequenos, e bem espaçados olhos têm pálpebras que fecham em uma forma circular. Acredita-se que os peixes-boi têm a habilidade de ver em cores.
Eles emitem uma ampla gama de sons utilizados na comunicação, especialmente entre as fêmeas e os machos, mas também entre os adultos a manter contato sexual e durante o jogo e comportamentos. Eles podem usar sabor e odor, além da visão, som e tato, para se comunicar. São capazes de aprender diferentes tarefas e mostram sinais de aprendizagem complexas ou longa memória, tal como golfinhos e Pinípedes, segundo estudos visuais e acústicos.
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