Le Tyrannosaurus rex est l'un des plus grands carnivores terrestres de tous les temps. Le plus grand spécimen découvert à ce jour, répertorié sous le code FMNH PR2081 et surnommé « Sue », du nom de la paléontologue Sue Hendrickson, mesure 11,2 mètres de long et 4 mètres de haut, à hauteur de hanche. Les différentes estimations de la masse du Tyrannosaurus rex ont grandement varié au cours des années, allant selon les auteurs de plus de 7,2 tonnes à moins de 4,5 tonnes avec d'après les estimations les plus récentes une fourchette allant de 5,4 à 6,7 tonnes.
Si le Tyrannosaurus rex était plus grand que l'Allosaurus, un autre théropode bien connu du Jurassique, il était légèrement moins imposant que le Spinosaurus et le Giganotosaurus, deux carnivores du Crétacé.
Comme chez les autres théropodes, le cou du T. rex forme une courbe en forme de « S » afin de maintenir la tête au-dessus du corps, mais il est particulièrement court et musculeux afin de supporter la tête massive. Les bras sont courts et se terminent par deux doigts. En 2007, un spécimen possédant trois doigts à chaque main a été découvert dans la formation de Hell Creek dans le Montana, suggérant la possible présence d'un troisième doigt vestigial chez Tyrannosaurus, hypothèse restant à confirmer. Proportionnellement à la taille du corps, les jambes du T. rex sont parmi les plus longues de tous les théropodes. La queue est longue et massive, constituée parfois de plus de quarante vertèbres, agissant comme un balancier permettant d'équilibrer la lourde tête et le torse. Afin d'alléger l'animal et de lui permettre de se mouvoir suffisamment rapidement, de nombreux os sont creux, réduisant la masse sans perte significative de solidité.
Le plus grand crâne de T. rex mesure 1,535 mètre (5 pieds) de longueur. De larges cavités aériennes permettaient de réduire la masse du crâne, et laissaient la place aux attaches des muscles de la mâchoire, comme chez tous les théropodes carnivores. Mais, sur d'autres aspects, le crâne de Tyrannosaurus est significativement différent de celui des autres grands théropodes. Extrêmement large à l'arrière et muni d'un museau étroit, il permet un très bonne vision stéréoscopique.
Les os du crâne sont massifs et certains os de la face dont l'os nasal sont fusionnés, empêchant tout mouvement. Beaucoup sont « pneumatisés » (constitués d'une structure en nid d'abeilles de petites poches d'air) ce qui aurait pour conséquence de les rendre plus souples et plus légers. Ces caractéristiques du crâne des tyrannosauridés leur aurait donné une morsure très puissante dépassant largement celle de tous les non-tyrannosauridés.
L'extrémité de la mâchoire supérieure est en forme de « U » (alors qu'elle est en forme de « V » chez la plupart des carnivores non-tyrannosauroidés), ce qui augmente la quantité de chair et d'os pouvant être arrachée à chaque bouchée, tout en augmentant l'effort exercé sur les dents frontales. L'étude des dents de Tyrannosaurus rex montrent une importante hétérodontie, c'est-à-dire la présence de dents de morphologie différente.
Les prémaxillaires à l'avant de la mâchoire supérieure sont resserrés, avec des crêtes de renforcement sur la surface arrière, en forme d'incisive recourbée vers l'arrière, de façon à réduire le risque que les dents ne s'arrachent quand le Tyrannosaurus mordait et tirait. Les autres dents sont robustes, plus largement espacées et également renforcées par des crêtes. Les dents de la mâchoire supérieure sont plus grandes que toutes les autres. La plus grande trouvée à ce jour est estimée à 30 cm de long, racine comprise, ce qui en fait la plus grande dent de dinosaure carnivore.
Dans les premiers temps, les paléontologues pensaient qu'il se tenait presque verticalement à cause de sa bipédie. Mais suite à la découverte de nouveaux squelettes et à des études biomécaniques, il s'avère qu'il se serait tenu à l'horizontale car c'est la seule manière pour que ses vertèbres supportent son poids. Le tyrannosaure ne devait donc pas dépasser 6 mètres.
Il se tenait sur ses deux pattes arrières. Ses membres postérieurs, terminés par un pied à trois orteils griffus, étaient particulièrement puissants. Sa vision frontale lui permettait d'évaluer efficacement les distances. Afin de pouvoir soutenir son immense tête, ses membres antérieurs étaient atrophiés (« miniaturisés »). Ses bras avaient néanmoins des muscles développés et ils disposaient de deux doigts avec des griffes acérées. Ils servaient sans doute à maintenir la nourriture, mais étaient trop courts (comparables à ceux d'un homme) pour pouvoir la ramasser au sol. Le tyrannosaure était donc obligé de se pencher pour ronger les carcasses de ses proies. Certaines de ses dents, particulièrement impressionnantes (atteignant 18 cm de long), étaient crénelées comme des couteaux à viande. On suppose qu'il pouvait déplacer l'un de ses maxillaires vers l'arrière. D'autre part, l'usure des dents fossilisées indique qu'il mâchait des aliments relativement durs. La mâchoire du tyrannosaure était d'une puissance phénoménale. Elle est considérée comme la plus puissante de tout le règne animal vivant ou éteint : il était ainsi capable d'arracher des kilos de chair d'un seul coup.
Certains scientifiques pensent que sa morsure était empoisonnée en raison des bouts de chair devant rester coincés entre les dents et se décomposant là.
Il n'est pas exclu que le tyrannosaure, comme d'autres reptiles de cette époque, ait été pourvu de plumes. Une équipe de chercheurs a d'ailleurs récemment découvert dans un fémur brisé des tissus mous » (phénomène extrêmement rare). « Les vaisseaux (sanguins) et leur contenu sont similaires à ceux observés dans les os d'autruche », dit la paléontologue Mary Schweitzer. Un élément qui vient à nouveau appuyer l'hypothèse selon laquelle les oiseaux seraient cousins, sinon les descendants des dinosaures. Cette découverte de « tissus mous » offre de nombreux espoirs pour de prochaines études.