Es gibt wenige Dinosaurier, die so gut erforscht sind wie der Tyrannosaurus Rex. Das liegt vor allem daran, dass es so viele vollständige Skelette von ihm gibt. Sein riesiger Schädel mit Steakmesser langen Zähnen gepaart mit einer Größe von maximal 4,5m und einem Gewicht bis zu 9 Tonnen, machen den T-Rex zu einem beeindruckenden Tier. Es gab wenige Tiere zu seiner Zeit, die es mit ihm aufnehmen konnten. Der Name "König der Tyrannenechsen" macht ihm alle Ehre. Es gab wenige Tiere zu seiner Zeit die es mit ihm aufnehmen konnten.

Die größten bekannten Tyrannosaurus-Schädel waren bis zu 1,5 Meter lang. Im Gegensatz zu den Schädeln anderer nicht-tyrannosauroider Theropoden war der hintere Teil des Schädels extrem breit, während die Schnauze schmal war. Durch diese Anpassung waren die Augen mehr nach vorne gerichtet, was ein ungewöhnlich gutes räumliches Sehen ermöglichte. Diese Anordnung der Augen im Schädel spricht dafür, dass Tyrannosaurier mit beiden Augen ein Ziel fixieren konnten. Diese Eigenschaft ist typisch für jagende Tiere.

Tyrannosaurus rex und auch andere Theropoden besaßen wahrscheinlich Lippen. Das schließen Forscher aus dem Fund einer dünnen Schicht Zahnschmelz. Zahnschmelz benötigt eine feuchte, mineralhaltige Umgebung, die die Zähne vor Säure und Bakterien schützt. Krokodile benötigen, weil sie hauptsächlich im Wasser leben, keine Lippen, da ihre Zähne fast ständig von Feuchtigkeit umgeben sind. Landtiere hingegen, die Zähne besitzen, müssen den Schmelz vor dem Austrocknen und anderen schädlichen Einflüssen schützen. Daher sind sie auf Lippen angewiesen, die die Feuchtigkeit an den Zähnen bewahrt.

Die Zähne von Tyrannosaurus zeigten Unterschiede in der Form. Die Zähne des Zwischenkieferbeins am vorderen Ende des Oberkiefers eng gepackt, im Querschnitt „D“-förmig, waren meißelähnlich geformt und nach hinten gekrümmt. Durch diese Bauweise wurde das Risiko vermindert, dass die Zähne während des Bisses umknickten. Die anderen Zähne waren robust und bananenförmig. Der größte gefundene Zahn wird inklusive Zahnwurzel auf 30 cm Länge geschätzt. Damit ist er der größte Zahn, der bisher von einem fleischfressenden Dinosaurier bekannt ist.

In einer Studie wurden zunächst die Schädel von einem ausgewachsenen und einem jungen T-Rex mittels Laserscanner vermessen und eingescannt. Am digitalen Modell wurden die Kiefermuskeln der Tiere rekonstruiert und aus deren Merkmalen die maximale Bisskraft berechnet. Das Ergebnis: Der Backenzahn des Tyrannosaurus allein erzeugte bereits Kräfte von 35.000 bis 57.000 Newton. Das entspricht etwa 3.500 bis 5.700 Kilogramm Gewicht, die auf die kleine Fläche der Zahnspitze konzentriert werden. Selbst in Anbetracht der Schädel- und Körpergröße des T-Rex sei das enorm.

Der fossile Schädel des Tyrannosaurus wurde schon mehrfach von Forschern gescannt und daraus konnte man die Größe des Gehirns rekonstruieren. Das Ergebnis: Tyrannosaurus hatte ein verhältnismäßig großes Gehirn im Vergleich zu seinem Körper. Auch bei heute lebenden Tierarten wird das Verhältnis Gehirn- zu Körpergewicht als Maß von Intelligenz benutzt. Geht man danach, war Tyrannosaurus rex vielleicht schlauer als Schimpansen. Das große Gehirn wurde vielleicht zum Jagen gebraucht, denn T-Rex hatte ein gutes Gehör und einen feinen Geruchssinn.

Das wahrscheinlich auffälligste am Tyrannosaurus. Wie konnte ein derartiges großes Tier solche kleinen Arme haben? Forscher gehen davon aus, dass der Tyrannosaurus im Laufe der Zeit einen immer größeren Kopf bekommen hat und die Arme immer kleiner wurden. Denn wieso braucht man Arme, wenn man mit einem Biss töten kann? Schwach oder verkümmert waren die Arme aber nicht, sie besaßen große Muskelansätze und waren demnach sehr kräftig. Es wird vermutet, dass T-Rex die Arme vielleicht zum Festhalten der Beute benutzt hat.

Die Beine gehörten zu den im Verhältnis zum Körper längsten aller Theropoden und waren sehr muskulös. Es wird vermutet, dass die Beine des Tyrannosaurus rex für kurze Sprints bei der Jagd ungeeignet seien. Das Verhältnis von Ober- zu Unterschenkelknochen ist nicht wie bei Sprintern. Bei einem Sprinter sind die Unterschenkelknochen länger als die Oberschenkelknochen, bei Tyrannosaurus rex ist das Verhältnis jedoch umgekehrt. Demnach wäre liege die Vermutung nahe, dass T-Rex ein Aasfresser sei.

2004 wurde in China Dilong paradoxus, ein Verwandter des Tyrannosaurus, gefunden. Hier wurden faserartige Strukturen sichtbar, die für gewöhnlich als die Vorläufer von Federn interpretiert werden. Es gibt Vermutungen, dass auch Tyrannosaurus und andere Tyrannosauriden solche Protofedern gehabt haben könnten – seltene Hautabdrücke von erwachsenen Tyrannosauriden aus Kanada und der Mongolei zeigen jedoch Schuppen, wie sie für andere Dinosaurier typisch sind. Vielleicht haben Jungtiere ein Federkleid gehabt und es im Laufe des Erwachsenwerdens größtenteils oder komplett verloren.

Der Schwanz war schwer und lang, um den massiven Rumpf und Kopf auszubalancieren, und zeigte manchmal über vierzig Wirbel. Um die enorme Masse des Tieres zu kompensieren, waren viele Knochen hohl. Manche Forscher geben dem Schwanz eine aktivere Rolle: Bei Krokodilen gibt es im Oberschenkelknochen einen Muskel, der sich in den Schwanz hineinzieht. Er liefert den entscheidenden Impuls für das Zurückziehen der Hinterbeine und damit den kräftigen Vorwärtsschub beim Gehen und Laufen. T-Rex könnte ebenfalls so einen kräftigen Schwanz gehabt haben.

Bisher wurden mehr als 30 Exemplare von Tyrannosaurus identifiziert, darunter sind einige fast vollständige Skelette. Barnum Brown entdeckte das erste fragmentarische Skelett eines Tyrannosaurus rex im Jahr 1900 im östlichen Wyoming. Ein weiteres Skelett fand Brown im Jahr 1902 in der Hell Creek Formation in Montana. Henry Fairfield Osborn beschrieb beide Skelette im Jahr 1905 in ein und derselben Veröffentlichung. Obwohl zahlreiche Skelette entdeckt wurden, ist nur ein einziger Fußabdruck dokumentiert, der sich in der Philmont Scout Ranch im nordöstlichen New Mexico befindet.