Tyrannosaurus có nghĩa là thằn lằn bạo chúa, được lấy từ tiếng Hy Lạp "tyrannos" nghĩa là "bạo chúa", và "sauros" nghĩa là "thằn lằn". Chúng còn được gọi là Khủng long bạo chúa trong văn hóa đại chúng.

Mẫu vật hóa thạch có tên đầu tiên của khủng long bạo chúa gồm có hai đốt sống do Edward Drinker Cope tìm thấy vào năm 1892. Cope tin rằng đốt sống này là của một loài khủng long có họ Manospondylus gigas, có nghĩa là “bộ xương khổng lồ có lỗ xốp” tuy nhiên khi phát hiện những hóa thạch khổng lồ khác, chủ tịch Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Hoa Kỳ, Henry Fairfield Osborn đã đặt tên cho chúng là Tyrannosaurus Rex, "vua thằn lằn bạo chúa".

Năm 1996, một nhóm các nhà khoa học thuộc Đại học Stanford đã tiến hành kiểm tra hộp sọ của một loài khủng long và xác định rằng khủng long bạo chúa là thủ phạm với cú ngoạm có lực vào khoảng 1.500 đến 3.000 pounds/inch vuông (650kg/inch – 1360kg/in) tương đương với một con cá sấu hiện đại. Không chỉ dừng lại ở đó suy đoán của các nhà khoa học sức mạnh của nó còn khủng khiếp hơn thế khi có thể cắn mạnh tới 5000 pounds/inch vuông (2267.962kg/inch vuông). Trong khi đó, người lớn trung bình có thể cắn với sức mạnh khoảng 80kg).

Răng của khủng long bạo chúa thể hiện sự khác biệt rõ rệt về hình dạng. Các răng của mảnh trước hàm của hàm trên được đóng gói chặt chẽ, hình chữ D theo mặt cắt ngang, có các chỗ lồi gia cố trên bề mặt phía sau, là răng cửa và cong ngược lại. Mặt cắt hình chữ D, chỗ chóp tăng cường và đường cong ngược làm giảm nguy cơ răng sẽ bị gãy khi khủng long bạo chúa cắn hoặc kéo. Những chiếc răng còn lại rất chắc chắn, giống như "những quả chuối chết người" hơn là dao găm, có khoảng cách rộng hơn và cũng có các chóp củng cố. Những răng ở hàm trên lớn hơn tất cả nhưng cái ở phía sau hàm dưới. Lớn nhất được tìm thấy cho đến nay được ước tính dài 30,5 cm bao gồm cả gốc răng khi nó còn sống, làm cho nó trở thành chiếc răng lớn nhất của bất kỳ loài khủng long ăn thịt nào đã được tìm thấy.

Chúng ta đều biết rằng trong quá trình tiến hóa, khủng long đã phát triển thành chim, một số loài ăn thịt được bao phủ bởi lông vũ. Do đó, một số nhà cổ sinh vật học tin rằng khủng long, đặc biệt là khủng long bạo chúa không nằm ngoài xu thế đó, chúng sẽ mọc lông vũ trong một số thời điểm của chu kỳ sống, rất có thể ngay khi vừa mới nở ra.

Với nhiều loài khủng long chân thú khủng long đuôi rỗng khác được phát hiện ở Yixian, bộ xương hóa thạch được bảo quản bằng một lớp cấu trúc sợi thường được công nhận là tiền thân của lông vũ. Bởi vì tất cả các hiện tượng đã được biết đến vào thời điểm đó cho thấy bằng chứng về vảy, các nhà nghiên cứu và cho rằng đặc điểm về lông có thể tỉ lệ nghịch so với kích thước cơ thể - con vị thành niên sẽ có lông vũ, sau đó rụng lông và chỉ có vảy khi nó lớn lên và không còn cần bộ lông để giữ ấm.

Thật khó để biết được tuổi thọ của khủng long từ hóa thạch của nó nhưng dựa vào các mẫu vật, các nhà cổ sinh vật học đã đoán rằng khủng long bạo chúa có thể sống được tới 30 tuổi. Vì bản thân khủng long luôn nằm trên đỉnh của chuỗi thức ăn nên chúng hoàn toàn không bị các loài vật khác tấn công, chúng có thể bị chết do tuổi già, bệnh tật.

Việc tìm thấy một số mẫu khủng long bạo chúa chưa trưởng thành đã cho phép các nhà khoa học ghi lại những thay đổi về mặt sinh học của loài, ước tính tuổi thọ và xác định tốc độ phát triển của chúng. Cá thể nhỏ nhất được biết đến được ước tính chỉ nặng 30 kg, trong khi cá thể lớn nhất có thể nặng khoảng 5.650 kg.

Chưa có một lời khẳng định nào được đưa ra nhưng có lý do để chúng ta tin giả thiết đó là thật. Dựa vào hóa thạch của khủng long bạo chúa cho thấy con cái thường nặng hơn khoảng vài tạ tới cả tấn. Nhờ cấu tạo sinh học phải đẻ trứng, khủng long cái có phần hông lớn hơn so với con đực, để nuôi con tạo hóa cũng bạn cho chúng khả năng săn mồi khủng khiếp hơn (giống như sư tử cái hiện đại)

Trong nhiều năm, các nhà cổ sinh vật học đã tranh cãi về việc liệu Khủng long bạo chúa là một cỗ máy săn mồi thực sự hay chỉ là một loài cơ hội, chờ con vật khác chết hoặc bệnh tật? Ngày nay, cuộc tranh cãi có vẻ như đã chấm dứt bởi thực tế khủng long bạo chúa sẽ ăn thịt động vật bị ốm đau, bệnh tật nhưng khi đói chúng sẽ đi săn mồi.

Bên cạnh đó, đa số những con khủng long trong thuộc kỷ trung sinh đã thể tự làm sạch răng của chúng, một số loài biết dùng cây sồi để loại bỏ thức ăn thừa bám trên răng. Một số nhà khoa học cho rằng các mẩu thịt thừa bám vào kẽ răng và thối rữa, khiến chúng bị nhiễm khuẩn, từ đó gây nhiễm trùng miệng. Chính vì vậy trong quá trình kiếm ăn, cú cắn của khủng long bạo chúa khiến con mồi bị nhiễm trùng và chết sau đó không lâu.

Cặp chi trước của khủng long bạo chúa luôn làm mọi người thích thú bởi chúng khá nhỏ và đáng yêu, không cân xứng với phần thân thể khổng lồ. Thực tế là tri trước của khủng long bạo chúa dài khoảng 1 mét, có khả năng chịu được mỗi bên một người trưởng thành với cân nặng 180kg.

Khủng long bạo chúa là một trong số các động vật ăn thịt trên cạn lớn nhất mọi thời đại. Mẫu vật hoàn chỉnh lớn nhất, trưng bày ở bảo tàng lịch sử tự nhiên Field có chiều dài cơ thể là 13 mét và cao 4 mét ngang hông. Ước tính khối lượng có rất nhiều biến đổi, từ nặng hơn 8,2 tấn, tới nhẹ hơn 4,5 tấn. Ước tính gần đây nhất với khối lượng từ 5,4 tấn tới 6,8 tấn.

Mọi người thường nghĩ rằng khủng long bạo chúa sống chủ yếu ở khu vực Bắc Mỹ, với chiều cao khoảng 12 mét, nặng 7-9 tấn. Tuy nhiên Khủng long bạo chúa khủng long bạo chúa chỉ xếp thứ 3 trong các loài khủng long ăn thịt lớn nhất, sau Giganotosaurus ở Nam Mỹ, nặng khoảng 9 tấn và Spinosaurus ở Bắc Phi, với khối lượng 10 tấn. Tuy nhiên chúng không có cơ hội để đối đầu với nhau do thời điểm sống của 3 loài cách nhau hàng triệu năm và cách xa hàng ngàn km.

Ngoài ra, dựa trên những nghiên cứu về hóa thạch của loài khủng long, Brian Curtice - một nhà cổ sinh vật học tại Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Arizona cho biết chiều dài của một con khủng long gai trưởng thành có thể lên tới 39 mét, và thậm chí 42 mét tính từ mõm tới đuôi. Để so sánh, một con khủng long gai có thể dài gấp 3,5 lần so với khủng long bạo chúa và cao gấp đôi.

Các nhà khoa học đã phân tích sự biến đổi giữa các cá thể và phát hiện ra hai loại cơ thể khác nhau, hoặc hình thái, tương tự như một số loài chân thú khác. Một trong những hình dạng này có cơ thể săn chắc hơn, nó được gọi là hình thái 'mạnh mẽ' trong khi dạng còn lại được gọi là 'mảnh mai'. Một số khác biệt về hình thái đã được sử dụng để phân tích tính lưỡng hình giới tính ở loài khủng long bạo chúa, với hình thái "mạnh mẽ" thường được cho là giống cái.

Chỉ có một mẫu khủng long bạo chúa duy nhất đã được chứng minh là thuộc về một giới tính cụ thể. Kiểm tra hóa thạch khủng long bạo chúa đã chứng minh việc bảo tồn mô mềm trong một số xương. Một số mô này đã được xác định là mô tủy, một mô đặc biệt chỉ phát triển ở các loài chim hiện đại như một nguồn can-xi để sản xuất vỏ trứng trong suốt thời kì rụng trứng. Vì chỉ có chim cái đẻ trứng, mô tủy chỉ được tìm thấy một cách tự nhiên ở giống cái, mặc dù con đực cũng có khả năng sinh ra nó khi được tiêm thêm nội tiết tố sinh sản estrogen. Điều này cho thấy rằng đây là giống cái, và nó đã chết trong thời kì rụng trứng.

Giống như nhiều loài khủng long đi bằng hai chân, khủng long bạo chúa được mô tả trong quá khứ như là một 'cỗ máy ba chân sống', với thân hình tạo thành góc 45 độ hoặc ít hơn theo chiều dọc và đuôi kéo lê trên mặt đất, tương tự như một con chuột túi.

Đến năm 1970, các nhà khoa học nhận ra tư thế này là không chính xác và không thể được duy trì bởi một động vật có kích cỡ lớn như vậy, vì nó có thể dẫn đến sự trật khớp hoặc suy yếu của một số khớp, bao gồm hông và khớp nối giữa đầu và cột sống. Dáng đứng phục dựng không chính xác bởi Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên đã truyền cảm hứng cho những mô tả tương tự trong nhiều bộ phim và tranh ảnh.