儘管海牛目與其他從未離開過水的海洋哺乳動物一樣，仍有流線型身體，但它們是唯一一種主要以植物為食的種群。這種獨特的食性是理解其外形進化順序及其生命歷史的關鍵所在，也可能是其種類稀少的原因所在。
海牛類由陸生哺乳動物進化而來，大約在6000萬年以前，它們曾經在較淺的綠色古新世沼澤溼地食草。後來，這些食草動物變得越來越傾向於水棲，但它們的現代近親大象仍然還是陸地哺乳動物。
目前的理論表明，在相對較為溫暖的始新世時期（5500萬～3400萬年以前），現代儒艮和海牛的祖先——原海牛，曾在西大西洋與加勒比海較淺的熱帶水域，以廣袤的海草牧場為攝食地。在全球氣候變冷之後的漸新世時期（3400萬～2400萬年以前），海草床消失了。出現於中新世時期（2400萬～500萬年以前）的海牛（海牛科），喜歡吃生長在營養豐富的河流之中的淡水植物。與海草不同，這些漂浮的水草中含有無水矽酸，這是一種防禦食草動物的研磨劑，會造成牙齒快速磨損。為了應付這一威懾，海牛擁有了一種不尋常的適應方法，可以使牙齒磨損的影響最小化，即在它們的一生之中，前邊磨損的牙齒脫落，後邊的牙齒就會取而代之（見右邊的圖框）。
今天，海牛目僅存有4個種類：1種儒艮和3種海牛。第5種，即斯特拉海牛（就是大海牛，也叫巨海牛）已於18世紀中期時被人類滅絕了。斯特拉海牛適應了北太平洋寒冷的海水，它們非常獨特，以海藻為食。這種海藻是在海草床消失之後才變得茂盛起來的。
海牛目是非反芻類食草動物，像馬和象一樣，而非像羊和牛那樣，沒有分隔為多室的胃。它們的腸道極其長（海牛的腸道超過45米），在大腸與小腸之間還有巨大的盲腸，末端閉合且分支成對。能消化纖維素的細菌生活在消化道後部，使得這4個種類都能夠消化大量的質量相對較差的草料，以便能夠得到所需的足夠的能量與營養。它們每天食入的草料佔其體重的8%～15%。
海牛消耗的能量很少，僅會消耗同等重量哺乳動物的1/3左右。據說海牛緩慢無力的動作會使早期的水手聯想到大海中的海妖塞夭。儘管被追擊時，它們能夠快速移動，但是在沒有人類的環境下，它們幾乎沒有其他的掠食者，所以速度對其無關緊要。生活在熱帶水域的海牛，其新陳代謝速率很慢，因為它們只會花費很少的能量來調節體溫。當然，海牛相對碩大的身體也適宜保存能量。
海牛長著典型的海牛目動物體型，它們與儒艮的主要區別在於其碩大的、水平的、船槳形的尾巴，尾巴在其遊動時上下擺動。它們只有6節頸椎，而其他所有的哺乳動物都有7節。其唇部被僵硬的鬃毛所覆蓋，而且有兩個強健的突起部分，用於取食時把草類和水生植物送入口中。
海牛的眼睛並不能很好地適應海洋環境，所以視力不佳。儘管海牛隻長有微小的外耳開口，但它們的聽覺卻非常敏銳。它們對高頻噪音尤為敏感，可能是為了適應淺水生活，因為在這裡，低頻聲音的傳播會受到限制。海牛以及其他海洋哺乳動物的聽力也許還受到了大海的周圍環境以及噪音的影響。
無法聽到低頻噪音，這可能是海牛無法有效探測船隻並避免與之碰撞的原因。它們不用回聲定位或聲吶，也許在幽暗的水中會碰到障礙物；它們也沒有聲帶。即使如此，它們確實是通過發聲法在進行交流，也許是通過高音的唧唧聲或吱吱聲；至於它們是如何發出這些聲音的，目前仍然是一個謎。