Thú mỏ vịt là loài vật có ngoại hình nhỏ nhắn cùng tính cách khá nhút nhát. Chúng sở hữu phần đầu và thân hình thẳng như một tấm gỗ để dễ dàng lướt đi trong nước. Loài này có phần đầu màu nâu đậm, hơi nghiêng về sắc đen và cái bụng màu trắng đục. Bộ lông của thú mỏ vịt dày và không thấm nước giúp cơ thể chúng luôn ấm áp và khô ráo dù có bơi lội hàng giờ đồng hồ. Điểm đặc biệt nhất của thú mỏ vịt chính là chiếc mỏ của chúng. Cái mỏ trông có vẻ giống mỏ vịt nhưng lại mềm hơn và được bao phủ bởi hàng ngàn cơ quan cảm nhận giúp chúng phát hiện con mồi.

Loài này là động vật hằng nhiệt và luôn duy trì nhiệt độ cơ thể ở khoảng 32 độ C ngay cả khi kiếm thức ăn nhiều giờ trong nước có nhiệt độ dưới 5 độ C.

Trong hai giống thì chỉ thú mỏ vịt đực là giống có độc. Chúng có nọc độc nằm ở phần cựa trên chân sau và chỉ dùng “tuyệt chiêu” này đối với kẻ thù của mình

Cơ thể và chiếc đuôi rộng, phẳng của thú mỏ vịt được bao phủ bằng một bộ lông dày màu nâu có thể huỳnh quang sinh học. Giữa hai lớp này là một lớp không khí cách nhiệt để giữ ấm. Lông thú mỏ vịt không thấm nước, có vân giống như lông chuột chũi. Đuôi của thú mỏ vịt được dùng để dự trữ chất béo (một dạng thích nghi cũng xuất hiện ở một số loài khác như quỷ Tasmania). Lớp màng giữa các ngón chân ở chi trước lớn hơn chi sau, và sẽ gập lại khi thú mỏ vịt đi trên cạn.

Chiếc mõm dài và hàm dưới được lớp da mềm bao phủ, tạo thành mỏ. Lỗ mũi nằm ở mặt lưng của mõm, còn mắt và tai ở trong một rãnh ngay phía sau. Khi thú mỏ vịt bơi, rãnh này sẽ đóng lại. Người ta đã nghe thấy thú mỏ vịt gầm gừ một tiếng nhỏ khi bị làm phiền; trong môi trường nuôi nhốt, thú mỏ vịt còn có thể phát ra một số loại âm thanh khác.

Trọng lượng thú mỏ vịt có thể nằm trong khoảng từ 0,7 đến 2,4 kg. Con đực thường lớn hơn con cái: chiều dài trung bình của cá thể đực là 50 cm, và 43 cm ở cá thể cái. Ngoài ra, kích thước trung bình cơ thể thú mỏ vịt thay đổi đáng kể theo từng vùng. Sự khác biệt này dường như không có liên quan đến bất kỳ quy tắc khí hậu cụ thể nào; đây có thể là hệ quả của các yếu tố khác, ví dụ như tập tính ăn thịt hoặc mất môi trường sống do con người xâm lấn.

Thú mỏ vịt dành phần lớn thời gian của mình để sống cô độc, ngủ và ăn. Loài này thường ăn sâu bọ, ấu trùng, động vật có vỏ và giun, kèm theo cả đất và sỏi mà chúng tìm được dưới đáy sông, hồ. Vì không có răng nên các hòn sỏi nhỏ chính là thứ giúp loài này nhai và nghiền nát được thức ăn.

Thú mỏ vịt thường lặn dưới nước khoảng 30 giây (hoặc hơn) sau đó, chúng sẽ phải lên bờ nghỉ ngơi từ 10 tới 20 giây rồi mới có thể lặn tiếp.

Loài này cũng là một trong những “vận động viên bơi lội” cừ khôi. Chúng cũng dành phần lớn thời gian của mình dưới nước để kiếm thức ăn. Dù có cả bốn cái chân có màng, nhưng khi bơi, thú mỏ vịt chỉ sử dụng đôi chân trước cùng cái đuôi của mình. Loài này bơi bằng cách sử dụng đôi chân trước có màng như những chiếc mái chèo cùng cái đuôi của mình. Trong quá trình bơi lội, phần da ở trên cơ thể của thú mỏ vịt sẽ che hết mắt và tai của chúng, đồng thời hai cánh múi của chúng cũng khép lại để nước không thể lọt vào.

Bởi vì thức ăn của loài này là các động vật giáp xác có lượng calo cao, do đó, hầu như, chúng chỉ ăn một bữa một ngày. Thời gian ngủ trung bình của một cá thể thú mỏ vịt là 14 giờ mỗi ngày.

Thú mỏ vịt có tuổi thọ khá cao. Nếu sống trong điều kiện nuôi nhốt thì vòng đời của chúng có thể lên đến 20 năm, còn khi sống trong tự nhiên thì ít hơn – tối đa chỉ 12 năm. Các nhà khoa học cho rằng thú mỏ vịt chính là “họ hàng” lâu đời nhất của các loài động vật có vú ngày nay. Theo nghiên cứu cho rằng, chúng đã xuất hiện trên Trái Đất trước khi khủng long tuyệt chủng từ hơn 112 triệu năm trước.

Các nhà khoa học đến nay vẫn chưa biết nhiều về nguồn gốc tổ tiên của con vật kỳ lạ này. Nhưng nhiều hóa thạch khác nhau cho thấy rằng tổ tiên của chúng ngày xưa có hình dạng khá giống với chúng bây giờ, có thể vào thời nguyên thủy chúng đã cố gắng rời khỏi cuộc sống ở nước nhưng vì không thể thích nghi được với tất cả khó khăn ở trên cạn, nên chúng đã quay trở lại môi trường nước để kiếm ăn.

Đuôi của thú mỏ vịt ngắn, có chức năng dự trữ mỡ để dùng vào mùa đông nhưng chúng lại không hề ngủ đông, chúng còn dùng đuôi để lái dưới nước. Chân ngắn nhưng mạnh, chân có màng bơi thích hợp cho việc bơi lặn; lúc ở trên cạn, màng chân gấp lại để có thể dùng móng chân cho việc đào bới.

Cái mõm mềm rất nhạy cảm, có rất nhiều tế bào thần kinh trên đó. Thú mỏ vịt cũng biết kêu. Chiều dài thân mình con đựng khoảng 61cm, con cái khoảng 46cm. Chúng có thân mình dài và dẹt, mình phủ đầy lông nâu, ngắn, mượt mà. Bộ lông của chúng không thấm nước, giúp chúng thích nghi với điều kiện sống dưới nước 12 tiếng mỗi ngày ở nhiệt độ gần 0 độ C.

Thú mỏ vịt có thể lặn dưới nước lâu khoảng 1 phút. Lúc ở dưới nước, chúng nhắm nghiền mắt lại, không những thế mũi và tai cũng được bịt kín, không có lỗ nào cho nước chui vào. Trong tình trạng "bí các giác quan" như vậy thú mỏ vịt vẫn có thể kiếm mồi và bơi lội tốt dưới nước. Trong khi tìm thức ăn, chúng dùng 2 loại giác quan trên mõm: một loại là nhờ chạm vào các vật, loại còn lại là nhờ vào kích thích điện. Chúng có thể phát hiện ra hướng dòng điện nhỏ phát sinh từ các hoạt động cơ thể của những con mồi nhỏ, ngoài ra còn phát hiện được dòng điện yếu phát ra khi dòng nước chảy qua những vật bất động.

Khi ở trên cạn thú mỏ vịt lại dùng mắt để nhìn và đôi mắt ấy rất tinh tường, có thể nhìn xa. Nhưng chúng có một điểm yếu, vì vị trí của mắt bị khuất nên không thể nhìn thấy những gì ở bên dưới mõm.

Thú mỏ vịt không có răng, thay vì nhai nghiền nát thức ăn bằng những mảng sừng trong mỏ, có thể nghiền thức ăn cùng với cát và sạn. Khi bắt được ít mồi, chúng chuyển thức ăn xuống những cái túi bên má, dưới mõm. Khi ngoi lên mặt nước, thú mỏ vịt đưa thức ăn lên vùng miệng, ở đó thức ăn được nghiền nát nhờ "tấm nghiền" trong mỏ.

Chúng chủ yếu hoạt động về đêm, người ta thường thấy chúng nhiều nhất là vào lúc rạng đông và chạng vạng tối. Chúng bắt ăn những động vật nhỏ ở nước mà chúng tìm thấy trong lớp bùn dưới đáy sông hồ. Chúng ăn nhiều loại thức ăn gồm động vật không xương sống, cá nhỏ, trứng cá, ếch, nhái và nòng nọc. Chỉ trong một ngày, chúng có thể ăn lượng thức ăn bằng nửa trọng lượng cơ thể chúng.

Những con thú mỏ vịt đực có một cái cựa - giống như một cái móng chân cỡ lớn vậy - ở mặt trong mỗi mắt cá. Chúng có thể dùng cái cựa này giống như rắn dùng răng nanh vậy. Nọc độc từ cựa có thể giết chết những loài động vật cỡ nhỏ và gây đau đớn cực độ ở con người nếu đâm xuyên qua da. Mặt tích cực là, các nhà khoa học tin rằng nọc độc này một ngày nào đó, có thể biến thành liều thuốc giúp chữa bệnh tiểu đường.

Nọc của thú mỏ vịt dường như có chức năng khác với nọc của các loài không phải động vật có vú. Tác dụng của độc không đủ mạnh để gây nguy hiểm đến tính mạng con người, nhưng vẫn có thể khiến nạn nhân bị tổn thương nghiêm trọng. Vì chỉ các cá thể đực mới có độc và lượng độc tiết ra tăng mạnh trong mùa sinh sản, cựa trở thành vũ khí để giành lợi thế giao phối.

Các nhà khoa học gần đây đã phát hiện ra thú mỏ vịt phát sáng trong bóng tối. Khi bạn thấy một con thú mỏ vịt trong điều kiện ánh sáng bình thường, bộ lông của chúng trông như màu nâu. Chẳng có gì đặc biệt so với nhiều loài thú khác.

Nhưng khi các nhà khoa học quan sát thú mỏ vịt dưới tia cực tím, họ đã bị ngạc nhiên khi biết được bộ lông của chúng phát ra ánh sáng xanh lá và xanh dương. Ánh sáng lập loè phát ra từ thú mỏ vịt là hiện tượng huỳnh quang sinh học, cực kỳ hiếm thấy đối với các loài thú có vú, đặc biệt là những loài đẻ trứng.

Khi thú mỏ vịt lặn xuống nước để kiếm ăn, các giác quan như thị giác, khứu giác và thính giác của chúng sẽ được... tắt đi. Ngay cả những lỗ tai nhỏ xíu cũng được nhét vào một cái rãnh với đôi mắt. Vậy, thú mỏ vịt sẽ cảm nhận môi trường xung quanh bằng cách nào? Không sao cả, bởi mỏ của chúng nhạy cảm đến nỗi có thể tìm thấy thức ăn bằng cách cảm nhận sóng âm thanh, chuyển động và điện trường chúng tạo ra.

Tỉ lệ sinh sản của thú mỏ vịt thuộc dạng thấp trong thế giới động vật. Cứ hai cá thể cái thì chỉ có một con đẻ trứng. Vào mùa sinh sản, giống cái sẽ ở một mình trong những cái hang dưới lòng đất để đẻ trứng.

Con cái đẻ từ 2-3 trứng vào khoảng giữa tháng 8 và tháng 10. Trứng được đẻ bên trong cái hang sâu đến 20m. Con cái ấp trứng từ 12-14 ngày bằng bụng và đuôi trên cái ổ được lót bằng cỏ và lá. Sau hai tuần trứng nở, khi trứng nở con non chỉ dài khoảng 1,25cm. Thú mỏ vịt mẹ sẽ nuôi con của mình từ 3 cho đến 4 tháng đầu đời tới khi con của chúng biết bơi.

Con mẹ không có đầu vú, sữa được tạo ra từ những tuyến lớn ở dưới da. Sữa tiết ra từ hai chỗ có cấu trúc giống như núm vú. Con non đè vào những nơi đó cho sữa chảy xuống lông bụng của mẹ chúng để liếm và mút sữa chảy ra. Sữa này có nhiều chất sắt, lượng sắt có nhiều gấp 60 lần lượng sắt có trong sữa bò. Con non uống sữa mẹ từ 4-5 tháng và vẫn ở trong hang, chúng bắt đầu rời tổ và biết bơi khi được khoảng 17 tuần tuổi.

Gần như mọi loài động vật đều có dạ dày để tiêu hoá thức ăn. Nhưng giống như họ thú lông nhím, thú mỏ vịt có cuống họng - con đường mà thông thường sẽ đưa thức ăn từ miệng xuống dạ dày - kết nối trực tiếp đến ruột. Nó không cần dạ dày để tiêu hoá thức ăn.

Thú mỏ vịt là chủ đề trong nhiều câu chuyện Mộng thời của thổ dân Úc. Một số thị tộc còn tin rằng loài này là con lai của vịt và chuột nước.

Một số thị tộc thổ dân bản địa Úc cũng dùng hình tượng thú mỏ vịt làm vật tổ. Người Wadi Wadi, những thổ dân sống dọc theo sông Murray, coi thú mỏ vịt là vật tổ động vật của mình. Vì ý nghĩa văn hoá và tầm quan trọng của thú mỏ vịt có liên quan đến cảm nhận về quốc gia, chúng được dân bản địa bảo vệ.

Thú mỏ vịt cũng thường được dùng làm biểu trưng cho bản sắc văn hóa Úc. Trong những năm 1940, người ta tặng thú mỏ vịt sống cho các đồng minh trong Thế chiến II, nhằm tăng cường quan hệ và nâng cao tinh thần.

Nhiều linh vật của các sự kiện quốc tế đã lấy tạo hình thú mỏ vịt: Thú mỏ vịt Syd – một trong ba linh vật của Thế vận hội Mùa hè năm 2000 ở Sydney (hai linh vật còn lại là Thú lông nhím Millie và Chim dacelo Olly), Thú mỏ vịt Expo Oz – linh vật cho Hội chợ Thế giới 88 (tổ chức ở thành phố Brisbane, năm 1988), và Thú mỏ vịt Hexley – linh vật của hệ điều hành Darwin.