Brontosaurus měl dlouhý, tenký krk a malou hlavu přizpůsobenou býložravému životnímu stylu, objemný, těžký trup a dlouhý, bičovitý ocas. Různé druhy žily v období pozdní jury, v souvrství Morrison na území dnešní Severní Ameriky, a byly vyhubeny na konci jury. Dospělí jedinci brontosaura podle odhadů vážili až 15 tun (17 krátkých tun) a měřili až 22 metrů (72 stop) na délku.
Jako archetypální sauropod je Brontosaurus jedním z nejznámějších dinosaurů a objevuje se ve filmu, reklamě a poštovních známkách, stejně jako v mnoha dalších typech médií.
Brontosaurus byl velký, dlouhokrký, čtyřnohý živočich s dlouhým, bičovitým ocasem a předními končetinami, které byly o něco kratší než jeho zadní končetiny. Největší druh, B. excelsus, vážil až 15 t (17 krátkých tun) a měřil až 22 m (72 stop) na délku od hlavy k ocasu.
Lebka Brontosaura nebyla nalezena, ale byla pravděpodobně podobná lebce blízce příbuzného Apatosaura. Stejně jako u ostatních sauropodů, obratle krku byly hluboce rozdvojené; to znamená, že nesly párové ostny, což mělo za následek široký a hluboký krk. Páteř a ocas se skládaly z 15 krčních obratlů, deseti hřbetních ploutví, pěti sakrálních ploutví a asi 82 ocasních ploutví. Bylo zaznamenáno, že počet ocasních obratlů se lišil, dokonce i v rámci jednoho druhu. Krční obratle byly statnější než ostatní diplodocidi, i když ne tak statné jako u dospělých exemplářů Apatosaura. Hřbetní žebra nejsou spojená nebo pevně spojená se svými obratli, místo toho jsou volně členěná. Deset hřbetních žeber je na každé straně těla. Velký krk byl vyplněn rozsáhlým systémem vzduchových vaků šetřících hmotnost.[citace nutná] Brontosaurus, stejně jako jeho blízký příbuzný Apatosaurus, měl na obratlích vysoké ostny, které tvořily více než polovinu výšky jednotlivých kostí. Tvar ocasu byl u diplodocidů neobvyklý, byl poměrně štíhlý, vzhledem k tomu, že páteře rychle klesaly na výšku, čím dále byly od boků. Brontosaurus spp. měl také velmi dlouhá žebra ve srovnání s většinou ostatních diplodocidů, což jim dávalo neobvykle hluboký hrudník. Stejně jako u ostatních diplodocidů, poslední část ocasu Brontosaura měla strukturu podobnou biči.
Kosti končetin byly také velmi robustní. Kosti paží jsou robustní, pažní kost připomíná kost Camarasaurus a kosti B. excelsus jsou téměř totožné s kostmi Apatosaurus ajax. Charles Gilmore v roce 1936 poznamenal, že předchozí rekonstrukce chybně předpokládaly, že vřetenní a loketní kost se mohou zkřížit, zatímco za života by zůstaly rovnoběžné. Brontosaurus měl na každé přední končetině jeden velký dráp a první tři prsty měly na každé noze drápy. Už v roce 1936 bylo uznáno, že žádný sauropod nemá zachovaný více než jeden ruční dráp a tento jeden dráp je nyní uznáván jako maximální počet v celé skupině. Jediná kost předního drápu je mírně zakřivená a na předním konci přímo zkrácená. Kyčelní kosti zahrnovaly robustní ilia a srostlé ochlupení a ischii. Holenní a lýtkové kosti dolní končetiny byly odlišné od štíhlých kostí Diplodocus, ale téměř nerozeznatelné od kostí Camarasaurus. Fibula je delší než holenní kost, i když je také štíhlejší.
V roce 1879 Othniel Charles Marsh, profesor paleontologie na Yaleově univerzitě, oznámil objev velké a poměrně úplné kostry sauropoda z hornin Morrisonovy formace v Como Bluff ve Wyomingu. Identifikoval ji jako náležející ke zcela novému rodu a druhu, který pojmenoval Brontosaurus excelsus, což znamená „hromový ještěr“, z řeckého brontē/βροντη znamená „hrom“ a sauros/σαυρος znamená „ještěr“ a z latinského excelsus „ušlechtilý“ nebo „vysoký“. V té době se Morrisonova formace stala centrem kostních válek, fosilní sbírky rivality mezi Marshem a dalším raným paleontologem, Edwardem Drinkerem Copem. Kvůli tomu byly publikace a popisy taxonů Marshem a Copem v té době uspěchané.
V roce 1905 odhalilo Americké přírodovědné muzeum (AMNH) vůbec první namontovanou kostru sauropoda, složený exemplář (vyrobený převážně z kostí z AMNH 460), který označovali jako druh Brontosaurus excelsus. Vzorek AMNH byl velmi kompletní, chyběly pouze chodidla (chodidla ze vzorku AMNH 592 byla přidána do držáku), dolní končetiny a ramenní kosti (přidána z AMNH 222) a ocasní kosti (přidána z AMNH 339). K dokončení držáku byl zbytek ocasu upraven tak, aby vypadal tak, jak Marsh předpokládal, že by měl, který měl příliš málo obratlů. Kromě toho byl na kostru umístěn vyřezávaný model toho, jak by podle muzea mohla vypadat lebka tohoto masivního tvora. Nejednalo se o jemnou lebku jako u Diplodocus, která se později ukázala jako přesnější, ale byla založena na „největších, nejtlustších a nejsilnějších lebečních kostech, dolních čelistech a korunách zubů ze tří různých lomů“. Tyto lebky byly pravděpodobně lebky Camarasaura, jediného dalšího sauropoda, pro kterého byl v té době známý kvalitní materiál lebky. Na stavbu držáku dohlížel Adam Hermann, kterému se nepodařilo najít lebky Brontosaura. Hermann byl nucen ručně vymodelovat samostatnou lebku. Henry Fairfield Osborn v jedné publikaci poznamenal, že lebka byla „z velké části domnělá a založená na lebce Morosaura“ (dnes Camarasaura).
V muzeu Yale Peabody byla v roce 1931 namontována kostra s lebkou jedinečnou od všech ostatních. Zatímco v té době většina muzeí používala Camarasaurovy odlitky, Peabody muzeum vymodelovalo úplně jinou lebku. Spodní čelist založili na Camarasaurově čelisti, s lebkou připomínající Marshovu ilustraci z roku 1891. Lebka také obsahovala dopředu směřující nosy, něco skutečně odlišného od jakéhokoliv dinosaura, a fenestru lišící se od kresby a jiných lebek.
Žádná apatosaurinní lebka nebyla zmíněna v literatuře až do 70. let, kdy John Stanton McIntosh a David Berman znovu popsali lebky Diplodoca a Apatosaura. Zjistili, že ačkoliv Holland nikdy nezveřejnil svůj názor, měl téměř jistě pravdu, že Apatosaurus (a Brontosaurus) měl lebku podobnou Diplodoku. Podle nich by mnoho lebek, o kterých se dlouho myslelo, že patří Diplodokovi, mohly být místo toho lebky Apatosaura. Přeřadili Apatosaurovi více lebek na základě přidružených a úzce přidružených obratlů. Ačkoli podporovali Hollanda, bylo zjištěno, že Apatosaurus možná vlastnil lebku podobnou Camarasaurovi, založenou na odzbrojeném zubu podobném Camarasaurovi, který byl nalezen přesně na místě, kde byl před lety nalezen exemplář Apatosaura. 20. října 1979, po publikacích McIntoshe a Bermana, byla první lebka Apatosaura namontována na kostru v muzeu, a to na kostru Carnegieho. V roce 1995 následovalo Americké přírodovědné muzeum a odhalilo jejich přestavěnou kostru (nyní označenou jako Apatosaurus excelsus) s opraveným ocasem a novou lebkou odlitou z A. louisae. V roce 1998 bylo naznačeno, že lebka z Felchova lomu, kterou Marsh zahrnul do své kosterní restaurování v roce 1896, patří místo toho Brachiosaurovi. V roce 2011 byl popsán první exemplář Apatosaura, kde byla nalezena lebka spojená s jeho krčními obratli. Bylo zjištěno, že tento exemplář, CMC VP 7180, se liší jak v rysech lebky, tak krku od A. louisae, a bylo zjištěno, že exemplář má většinu rysů příbuzných s rysy A. ajaxe.
Téměř všichni paleontologové 20. století souhlasili s Riggsem, že všechny druhy Apatosaurus a Brontosaurus by měly být zařazeny do jednoho rodu. Podle pravidel ICZN (která upravují vědecké názvy živočichů) měl název Apatosaurus, který byl publikován jako první, prioritu jako oficiální název; Brontosaurus byl považován za mladší synonymum, a proto byl vyřazen z formálního užívání. Navzdory tomu alespoň jeden paleontolog – Robert T. Bakker – v 90. letech tvrdil, že A. ajax a A. excelsus jsou ve skutečnosti dostatečně odlišné, aby si posledně jmenovaný i nadále zasloužil samostatný rod. V roce 2015 rozsáhlá studie diplodocidních vztahů, kterou provedli Emanuel Tschopp, Octavio Mateus a Roger Benson, dospěla k závěru, že Brontosaurus je skutečně platný rod sauropod odlišný od Apatosaura. Vědci vyvinuli statistickou metodu, aby objektivněji posoudili rozdíly mezi fosilními rody a druhy, a dospěli k závěru, že Brontosaurus může být „vzkříšen“ jako platný název. Přiřadili k Brontosaurovi dva dřívější druhy Apatosaura, A. parvus a A. yahnahpin, stejně jako druh B. excelsus. Paleontolog Michael D’Emic učinil kritiku. Paleontolog Donald Prothero kritizoval masové reakce médií na tuto studii jako povrchní a předčasné, a došel k závěru:
Dokud se někdo k této problematice přesvědčivě nevyjádří, dám „Brontosaurus“ do uvozovek a nebudu sledovat poslední mediální výstřelek, ani nepřevrhnu Riggse (1903) a jméno dám do svých knih jako platný rod.
Brontosaurus je členem čeledi Diplodocidae, kladu gigantických sauropodních dinosaurů. Do čeledi patří jedni z nejdelších a největších tvorů, kteří kdy chodili po Zemi, včetně Diplodocus, Supersaurus a Barosaurus. Brontosaurus je také zařazen do podčeledi Apatosaurinae, která také zahrnuje Apatosaurus a jeden nebo více možných nejmenovaných rodů. Othniel Charles Marsh popsal Brontosaura jako spojence Atlantosaura, v rámci dnes již zaniklé skupiny Atlantosauridae. V roce 1878 Marsh povýšil svou rodinu do podřádu, včetně Apatosaurus, Brontosaurus, Atlantosaurus, Morosaurus (=Camarasaurus) a Diplodocus. Zařadil tuto skupinu do Sauropody. V roce 1903 Elmer S. Riggs zmínil, že jméno Sauropoda bude juniorským synonymem dřívějších jmen, a seskupil Apatosaura do Opisthocoelia. Většina autorů stále používá Sauropodu jako název skupiny.
Brontosaurus, původně pojmenovaný svým objevitelem Othnielem Charlesem Marshem v roce 1879, byl dlouho považován za mladší synonymum Apatosaura; jeho typový druh, Brontosaurus excelsus, byl v roce 1903 překlasifikován na A. excelsus. Nicméně rozsáhlá studie publikovaná v roce 2015 společným britsko-portugalským výzkumným týmem dospěla k závěru, že Brontosaurus je platný rod sauropoda odlišný od Apatosaura. Nicméně ne všichni paleontologové s tímto dělením souhlasí. Stejná studie klasifikovala dva další druhy, které byly kdysi považovány za Apatosaura a Eobrontosaura, jako Brontosaurus parvus a Brontosaurus yahnahpin. Kladogram Diplodocidae po Tschoppovi, Mateovi a Bensonovi (2015):
Supersaurus lourinhanensis
Níže uvedený kladogram je výsledkem analýzy Tschoppa, Matea a Bensona (2015). Autoři analyzovali většinu exemplářů diplodocidního typu odděleně, aby odvodili, který exemplář patřil ke kterému druhu a rodu.
YPM 1840 (“Atlantosaurus” immanis type)
YPM 1860 (Apatosaurus ajax typ)
CM 3018 (typ Apatosaurus louisae)
YPM 1861 (typ Apatosaurus laticollis)
YPM 1980 (typ Brontosaurus excelsus)
YPM 1981 (typ Brontosaurus amplus)
AMNH 5764 (Amphicoelias altus type)
Tate-001 (Eobrontosaurus yahnahpin typ)
CM 566 (typ Elosaurus parvus)