Les synapsides ont généralement une denture hétérodonte, ce qui signifie qu'ils possèdent différents types de dents spécialisées pour différentes fonctions. Par exemple, ils peuvent avoir des incisives, des canines et des molaires, chacune adaptée à une fonction particulière dans la mastication des aliments. Les synapsides ont tendance à avoir une réduction ou une absence des os postfrontaux et postorbitaires, qui sont présents chez de nombreux autres tétrapodes. Cette modification crânienne est liée à l'expansion de la fenêtre temporale inférieure et à d'autres adaptations du crâne associées à l'attachement musculaire et à la mobilité de la mâchoire inférieure. 

Comparé à de nombreux autres groupes de tétrapodes, les synapsides, y compris les mammifères, ont montré un développement accru du cerveau. Cette augmentation de la taille du cerveau est corrélée avec des comportements et des capacités cognitives plus avancés.