大人と若い個体が一緒に死んでいる化石が発見されており、群れで移動していたことが示唆される。また他の恐竜のような巣に並んだ形ではなく列になった卵の発見記録がある。カマラサウルスは子育てをしなかったと考えられている。寿命については、100年まで生きた可能性を指摘する古生物学者もいる。
全長9 - 18メートル、推定体重20トンに達するが、同時期の竜脚類としてはそれほど大きくはなく、それが大きく繁栄した理由と考えられる。頭骨は非常に特徴的で頭部は比較的大きく、著しい正方形であり、平坦な鼻先には多くの穴があった。かなり丈夫であり、しばしば状態のよい化石が発見される。 目の正面に配置された巨大な鼻孔はおそらく大きな浸潤性の膜を持ち、ジュラ紀の高温の気候で脳を冷やす働きをしていたのだろうと考えられている。口には長さ19センチメートルのヘラ状の丈夫な歯が顎に沿って均等に配置されていた。 歯の強さは、カマラサウルスが細くもろい歯をしたディプロドクスより粗い植物を食べたことを示す。 鶏のように、胃での物理的な食物消化を助けるための石（胃石）を飲み込んでおり、その石が滑らかになって役に立たなくなると吐き出すか排泄していたようである。この説を支持するように、カマラサウルスの発見されるモリソン累層ではしばしば表面が非常に滑らかな石の山が孤立して多数発見されている。それぞれの巨大な足には5本の指があり、内側の指には防御のための大きく鋭い鉤爪を持っていた。 ほとんどの竜脚類と同様に前肢は後肢より短かったが、肩の高さはほぼ水平でやや後部に傾斜していた。いくつかの竜脚類には強力な筋肉の付着部となる比較的長い棘突起が各脊椎骨にあるが、カマラサウルスにはこれがなく、後肢のみで立ち上がることは不可能だったようである。脊椎骨は、後に登場した多くの竜脚類でも見られた軽量化装置としての空胞が多くあるなど特化しており、ここから「空洞を持つトカゲ」という学名がつけられている。 現生のゾウのように体の重い生物に特有の、かかとの付け根にあるくさび状の海綿状組織を持っていた。 このサイズの竜脚類としては首とそれにつりあう尾は比較的短かった。他の竜脚類のように骨盤の近くで脊椎が肥大化していた。そのためかつては古生物学者により巨大な体を制御するために必要な2番目の脳であると信じられていた。 現代の見解では、脳ではなく、大きい神経の活動領域であったとされている。 この肥大化した神経は、この恐竜の箱のような頭蓋骨内に存在する、著しく小さな脳より大きい。
2005年3月4日に日本車輌製造・日立製作所・川崎重工業により先行試作車（Z0編成）が完成し、JR東海浜松工場にて報道陣に公開された。同月10日未明に公式試運転として浜松駅 - 静岡駅間で初めて本線を走行し、4月4日から走行試験を開始し、7月16日には三島駅 - 浜松駅間での日中走行も実施した。同月24日には初めて東京駅 - 新大阪駅間を走行し、29日には山陽新幹線に乗り入れて博多駅まで走行、そして9月7日には速度向上試験で320km/hを記録した。この先行試作車による2年間の実験走行を経て、量産車（Z1編成以降とN編成）を投入することとなった。2006年12月7日、日本車輌製造豊川製作所で量産車となる構体が報道関係者に公開された。この構体は「Z1編成」のもので、翌2007年3月より搬入が開始された。これにより、100系以来続いていた「量産先行試作車の*0編成→*1編成への改番・量産化改造および営業運転への導入」という東海道・山陽新幹線での慣例を破ることとなった。Z0編成はそれまで各種技術試験を行ってきた300系の量産先行試作車「J1」編成が廃車されたのと、車掌室やコンセントの位置、喫煙ルームの有無が量産車と異なり営業運転に支障をきたすため量産化改造は見送られ、J1編成の後継となる試験車として運用されることになった。ただし、完全な試験専用編成ではない。同年5月23日には報道関係者約300人向けの試乗会が実施された。使用されたのはZ2編成で、同年7月1日の営業運転開始までにJR東海が準備する5本の編成のうちの一つだった。東京駅 - 博多駅間を約5時間半で走行し、途中名古屋駅・京都駅・新大阪駅・岡山駅・広島駅に停車した。東京駅を11時46分に出発し、掛川駅通過直前に「只今車体傾斜を行っています」という車内アナウンスが流れ、名古屋駅到着まで幾度か同様の放送が流れたが、ほとんどの添乗者が車体の傾きを体感しなかった。同乗したJR東海の担当者は、カーブに入る手前の緩和曲線を含めて線形を読み、走り込みを続ける中で傾けるタイミングを調節したと語った。その後、同年6月16日・17日・24日に公募による一般向けの試乗会も開催された。営業運転開始後の2007年8月21日 - 9月11日までの間、JR西日本所有のN1編成が10両に短縮され、新下関駅 - 新山口駅間を試験走行した。具体的には1, 5 - 12, 16（16両編成時の号車番号）号車が連結され、外周幌の取り外しによる乗り心地の変化などがテストされた。9月12日以降は16両に戻されて通常運行に使用されている。なお、車両輸送は日立物流や日本通運などが行っている。2008年春には日本通運のCMで本系列の輸送シーン（Z7編成(現・X7編成)の納車時）が放映されていた。