海膽體呈球形、盤形或心臟形，無腕。內骨骼互相癒合，形成一個堅固的殼，分三部:第一部最大，由20多行多角形骨板排列成10帶區，5具管足的步帶區和5個無管足的步帶區相間排列，各骨板上均有疣突和可動的長棘。第二部稱頂系，位反口面中央，由圍肛部(periproct)和5個生殖板及5個板眼(ocular plate)組成，生殖板上各有一生殖孔，有一塊生殖板多孔，形狀特異，兼作篩板的作用;板眼上各有一眼孔，輻水管末端自孔伸出，為感覺器;圍肛部上有肛門。第三部為圍口部，位口面，有5對口板，排列規則，各口板上有一管足，口周圍有5隊分支的鰓，為呼吸器官。多數種類口內具複雜的咀嚼器，稱亞里斯多德提燈(Aristotle's lantern)，其上具齒，可咀嚼食物。消化管長管狀，盤曲於體內，以藻類、水螅、蠕蟲為食。多雌雄異體，個體發育中經海膽幼蟲(長腕)，後變態成幼海膽，經1-2年才達性成熟。
海膽一般都是較深色的，如有綠色、橄欖色、棕色、紫色及黑色。
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