Megalodon
berevolusi menjadi O. aksuaticus, yang kemudian berevolusi menjadi C. auriculatus, dan kemudian menjadi C. angustidens, dan lalu menjadi C. chubutensis, dan akhirnya menjadi C. megalodon. Selama proses evolusi ini, gerigi pada gigi semakin bertambah, mahkota gigi semakin melebar, bentuk gigi menjadi semakin seperti segitiga, dan kuspis lateralnya menghilang.:28-31 Genus Otodus sendiri berasal dari Cretolamna, genus hiu dari zaman Kapur.
Terdapat pula permodelan evolusi Carcharocles yang diusulkan oleh paleontolog Michael Benton pada tahun 2001. Berdasarkan permodelan ini, tiga spesies lain di dalam genus tersebut sebenarnya adalah satu spesies hiu yang secara perlahan mengalami perubahan pada kala Paleosen dan Pliosen, sehingga menjadikannya sebagai sebuah kronospesies.:17 Benton juga berpendapat bahwa C. auriculatus,
C. angustidens, dan C. chubutensis sebaiknya digolongkan sebagai satu spesies di dalam genus Otodus, sehingga C. megalodon menjadi satu-satunya anggota Carcharocles.
Genus Carcharocles mungkin juga bukan genus yang sah, dan megalodon bisa saja masuk ke dalam genus Otodus, yang akan mengubah namanya menjadi Otodus megalodon. Hasil penelitian terhadap hiu-hiu Paleogen yang dilakukan oleh Henri Cappetta pada tahun 1974 membentuk subgenus Megaselachus dan menggolongkan megalodon sebagai Otodus (Megaselachus) megalodon bersama dengan O.
(M.) chubutensis. Kemudian, berdasarkan hasil peninjauan terhadap kelas Chondrichthyes dari tahun 2006, status Megaselachus diangkat menjadi genus, dan kedua hiu tersebut digolongkan sebagai Megaselachus megalodon dan M. chubutensis. Penemuan fosil yang telah dikaitkan dengan genus Megalolamna pada tahun 2016 membuat para ilmuwan meninjau ulang genus Otodus, dan lalu
menyimpulkan bahwa genus ini bersifat parafiletik, atau dalam kata lain genus ini terdiri dari suatu nenek moyang bersama, tetapi tidak mencakup semua keturunannya. Jika hiu-hiu Carcharocles dimasukkan ke dalam genus Otodus, maka genus tersebut akan menjadi genus monofiletik, dan klad saudaranya adalah Megalolamna.
Menurut salah satu penafsiran, megalodon adalah hiu yang terlihat kekar, dan mungkin mirip dengan hiu putih. Rahangnya mungkin lebih tumpul dan lebar daripada hiu putih, sementara siripnya mungkin memiliki bentuk yang serupa, walaupun sirip megalodon mungkin lebih tebal akibat besar tubuhnya. Mata megalodon mungkin "seperti babi", atau dalam kata lain kedua matanya kecil dan terlihat dalam.:64-65
Berdasarkan penafsiran yang lain, megalodon mirip dengan hiu paus (Rhincodon typus) atau hiu raksasa (Cetorhinus maximus). Sirip ekornya berbentuk seperti sabit, sirip punggung kedua dan sirip duburnya kecil, dan mungkin juga terdapat lunas ekor (caudal keel) di kedua sisi sirip ekir (di pangkal ekor atau caudal peduncle). Bentuk semacam ini sering ditemui pada
hewan-hewan besar lainnya di laut, seperti paus, tuna, dan hiu-hiu lainnya untuk mengurangi gaya hambat saat sedang berenang. Sementara itu, bentuk kepala pada setiap spesies bisa berbeda-beda, karena kebanyakan adaptasi untuk mengurangi gaya hambat dapat ditemui di ujung ekor hewan.:35-36
Mengingat bahwa Carcharocles berevolusi dari Otodus, dan dengan mempertimbangkan bahwa keduanya memiliki gigi yang sangat mirip dengan gigi hiu harimau-pasir (Carcharias taurus), bentuk tubuh megalodon mungkin saja lebih mirip dengan hiu tersebut. Namun, dugaan semacam ini kurang meyakinkan, karena hiu harimau-pasir merupakan perenang carangiform yang memerlukan pergerakan ekor yang lebih cepat
untuk menghasilkan pendorongan di air bila dibandingkan dengan hiu putih yang merupakan perenang thunniform.:35-36
Sejauh ini, fosil-fosil megalodon yang telah ditemukan hanyalah fosil gigi dan vertebra, alhasil perkiraan besar tubuh hewan ini pun bermacam-macam.:87 Selain itu, akibat kurangnya data, hiu putih sering dijadikan sebagai patokan untuk melakukan reka ulang dan perkiraan besar tubuh,:57 karena hewan tersebut dianggap sebagai perbandingan yang sesuai. Pada tahun 1973,
ahli iktiologi Hawaii John E. Randall memperkirakan bahwa panjang terbesar C.megalodon dapat mencapai 13 m, sementara pada dasawarsa 1990-an, ahli biologi laut Patrick J. Schembri dan Stephen Papson berpendapat bahwa panjang maksimal C. megalodon mungkin mendekati 24 hingga 25 m. Gottfried et al. menegaskan bahwa panjang C. megalodon dapat mencapai 20.3 m. Saat ini, panjang maksimal C.megalodon
yang paling diterima adalah 18 m, dengan rata-rata panjang 10.5 m, sementara panjang maksimal hiu putih adalah 6.1 m dan panjang maksimal hiu paus (ikan terbesar saat ini) adalah 12.65 m. Terdapat kemungkinan bahwa populasi megalodon di berbagai belahan dunia memiliki besar tubuh dan perilaku yang berbeda-beda akibat keragaman ekologi. Jika panjang megalodon
memang melebihi 16 m, maka ikan ini adalah ikan terbesar yang pernah ada, bahkan melampaui ikan Leedsichthys dari zaman Jura.
Megalodon jantan dewasa mungkin memiliki massa tubuh 12.6 hingga 33.9 ton metrik, sementara massa megalodon betina dewasa mungkin berkisar antara 27.4 hingga 59.4 ton metrik, dengan asumsi bahwa panjang jantan dewasa berada pada kisaran 10.5 hingga 14.3 m dan panjang betina pada kisaran 13.3 hingga 17 m.:61 Hasil penelitian dari tahun 2015 yang menyelidiki hubungan antara besar
tubuh hiu dengan kecepatan berenang menghasilkan perkiraan bahwa megalodon mungkin berenang dengan kecepatan 18 km/jam, dengan asumsi bahwa massa tubuhnya pada umumnya adalah 48 ton metrik, dan perkiraan ini sesuai dengan hewan-hewan laut dengan besar tubuh semacam itu, seperti paus sirip yang biasanya berenang dengan kecepatan 14.5 hingga 21.5 km/jam.
Megalodon mungkin berevolusi menjadi besar akibat faktor-faktor iklim dan keberlimpahan hewan buruan yang besar. Besar tubuhnya mungkin juga dipengaruhi oleh evolusi endotermik regional (mesotermik) yang meningkatkan laju metabolisme dan kecepatan berenangnya. Hiu dari famili Otodontidae dianggap sebagai hewan ektotermik, dan megalodon berkerabat dekat dengan mereka, sehingga terdapat
pula kemungkinan bahwa hewan ini bersifat ektotermik. Namun, hiu ektotermik terbesar di dunia saat ini, yaitu hiu paus, merupakan hewan penyaring, yang menyiratkan bahwa gaya hidup predator dibatasi oleh metabolisme. Dalam kata lain, kemungkinan megalodon bukan hewan ektotermik.
Gordon Hubbell dari Gainesville, Florida, memiliki gigi anterior atas megalodon dengan ketinggian maksimal 18.4 cm, dan gigi ini merupakan salah satu spesimen gigi hiu terbesar yang pernah ada. Selain itu, reka ulang rahang megalodon dengan ukuran 2.7 x 3.4 m yang dibuat oleh pemburu fosil Vito Bertucci memiliki gigi dengan ketinggian maksimal yang dilaporkan mencapai 18 cm.
Upaya pertama untuk mereka ulang rahang megalodon dilakukan oleh Bashford Dean pada tahun 1909, dan hasilnya pun dipamerkan di Museum Sejarah Alam Amerika. Berdasarkan dimensi hasil rekonstruksi rahang, diduga panjang megalodon mencapai 30 m. Namun, ketika Dean memperikaran ukuran tulang rawan pada kedua rahang, perkiraan tersebut terlalu besar, sehingga rahangnya menjadi terlalu tinggi.
Seorang ahli iktiologi yang bernama John E. Randall menggunakan tinggi enamel gigi untuk mengukur panjang megalodon, dan hasilnya menunjukkan bahwa panjangnya mencapai 13 m. Namun, tinggi enamel gigi belum tentu meningkat secara proporsional dengan panjang hewannya.:99
Tiga orang peneliti hiu yang bernama Michael D. Gottfried, Leonard Compagno, dan S. Curtis Bowman mengusulkan bahwa terdapat hubungan linear antara panjang seekor hiu dengan tinggi gigi anterior atas terbesar: panjang total (m) =  (0.096)  [tinggi maksimal gigi anterior atas (mm)]-(0.22).:60 Selain itu, mereka telah memperkirakan bahwa rata-rata panjang megalodon betina yang besar mencapai 15.6 m (berdasarkan
tinggi gigi terbesar yang telah ditemukan, walaupun mungkin sebenarnya terdapat gigi yang lebih besar).:55-60