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La característica más llamativa de todas las especies de tiburones martillo es la particular forma de la cabeza en forma de T, con los ojos y los orificios nasales situados en los extremos de la cabeza, gracias a lo cual el movimiento de cabeza de lado a lado al nadar recorre con la vista todo a su alrededor e incluso lo que queda a sus espaldas.

Las aletas pectorales se localizan detrás de las branquias, y la aleta caudal tienen la punta negra. Casi toda la parte dorsal es gris o café, pero se vuelve blanca cerca de la parte ventral. Al igual que la mayoría de los tiburones, el tiburón martillo presenta contracoloración, es decir, un color oscuro en el lomo y uno claro en el vientre. Visto desde abajo, el tiburón martillo se confunde con el brillo de las aguas de la superficie; visto desde arriba, se confunde con el fondo marino oscuro. La contracoloración es un tipo de mimetismo que permite al tiburón sorprender a sus presas.

El tamaño habitual es de 3,7 m, pero pueden alcanzar los 6 metros de longitud y pesar casi media tonelada2 y son conocidos por eventuales ataques a humanos, si bien éstos son poco frecuentes.

Nadie sabe con exactitud por qué estos tiburones han evolucionado con esa curiosa forma de cabeza. Algunos biólogos creen que les proporciona una ventaja sensorial para encontrar a sus presas, mientras otros creen que les ayuda en la flotabilidad. Su olfato es capaz, mediante lóbulos olfativos telencefálicos incrementados, de detectar una gota de sangre a una distancia de un kilómetro y medio. Las aletas del tiburón martillo son particularmente apreciadas como alimento en el este de Asia, a pesar de que la caza de aletas de estos y otros tiburones está ahora prohibida en varios países.