支撑翼龙飞行的翼膜结构,完全不同于其后能够飞行的脊椎动物鸟类和蝙蝠类翅膀结构。翼龙类由皮膜形成翼面,皮肤、肌肉、与其它软组织构成的膜,膜从胸部延展到极长的第四手指上。以其他指骨支撑著膜。翼龙的膜只附著在细长的一个指状物(第4指)上,向后沿体侧延伸到膝盖;在颈部与“臂”之间有附加的皮膜。前面3个指骨为爪状的细长钩。其膜看来已完全适应飞翔和滑翔,但不如蝙蝠的膜或鸟类的翼灵活,而且较为脆弱。身体结实,后腿长而细,其构造表明不适应垂直移动或停歇,休息时靠后肢悬挂。颈部似乎在飞行时持竖式,与头部连成直角并向前。头骨轻而强壮,大多数骨头融合在一起;有细长的嘴;眼睛大,像许多鸟类那样,眼球被一系列位于其四壁的骨板(巩膜环)所加固。
使用计算机分层造影扫描技术,依据化石建立翼龙大脑的三维图像。图像显示,翼龙的小脑叶片相当发达,其质量占脑质量的7.5%,是目前已知的脊椎动物中比例Zui高的。与之相比,擅长飞行的鸟类的小脑叶片也只占其脑质量的1%到2%。