Dimetrodon („dvě míry zubů“) byl jedním z největších suchozemských živočichů a vrcholným predátorem své doby. Jeho potrava mohla zahrnovat sladkovodní žraloky, obojživelníky, plazy a další amnioty. Obojživelník Eryops a sladkovodní žralok Xenacanthus byli jeho kořistí. Bylo zjištěno, že humerus Eryops a lebky Xenacanthuse mají otisky zubů odpovídající tvaru zubů Dimetrodona. Pravděpodobně lovil na základě svých zrakových a čichových smyslů. Různé typy byly dlouhé od 2 do 5 metrů (6,5 až 16 stop) a vážily 14 až 300 kilogramů (31 až 660 lbs). Struktura kostí naznačuje, že byl chladnokrevný a měl nízký metabolismus. V kostech je málo kanálů, což ukazuje na omezenou cirkulaci. Pro správný metabolismus potřeboval vnější teplo.
Struktura růstu Dimetrodonu je nejasná. Analýza založená na délce a osifikaci stehna, loketní kosti a pažní kosti ukazuje špatnou korelaci mezi velikostí a relativním věkem jedinců. V Dimetrodonu byl rozdíl v biotopu mezi nedospělými a dospělými jedinci. Mladší jedinci žili hlavně v biotopech s dostatkem přístřešků, jako jsou bažiny a rákosové břehy. Dospělí preferovali otevřené plochy záplavových oblastí.
Jedná se o nález zkamenělin z texaské skupiny Wichita. Zkoumala se délka horní části paže a stehna, hlavní měřítko, které se používalo k rozlišení mezi mladými a dospělými exempláři, a zjišťovalo se, jaký typ sedimentu se zkameněliny vyskytují. Podobný rozdíl v rozložení mezi mladými a dospělými exempláři byl zjištěn také u Ophiacodona a Eryopse a je znám také z moderních krokodýlů a vodních želv. Dimetrodon mohl mít na břiše ‚šupiny‘ jako krysa na ocase.
Hlava Dimetrodon limbatus, kresba na základě lebky z knihy Recenze pelycosauria (od Cope).
Dimetrodon má dva typy zubů, stříhací zuby a ostré psí zuby. Jeho název ve skutečnosti znamená „dvě míry zubů“. Dimetrodon byl jedním z prvních zvířat s diferencovanými zuby a zuby byly vhodné k usmrcení zvířat a jejich následnému roztrhání na kusy. Dimetrodon má velkou lebku s temporální fenestrou za každým očním orbitem na bočním povrchu, což je charakteristický rys synapsidní lebky. To umožnilo nová místa uchycení čelistních svalů, které mohly běžet rychleji a vytvářet žvýkání. Na základě osteologie spánkové oblasti bylo zjištěno, že zadní část patra a dolní čelistní svaly Dimetrodona byly diferencované. Byly rekonstruovány dvě skupiny svalů: adduktory a pterygoidy. Aduktory byly od spánkové po vnitřní část dolní čelisti a způsobily zavření čelistí.
Pterygoidi běželi od Pterygoidních procesů sfenoidní a sfenoidní kosti k kloubnímu, jedné z kostí v dolní čelisti, a způsobili zpětný pohyb dolní čelisti. Vývoj koronoidního procesu v Dimetrodonu ve srovnání s ostatními čtyřnožci vedl ke zvýšení délky momentu zevního svalstva, a tím k větší síle skusu.
Konstrukci vnitřního ucha a vestibulárního systému Dimetrodon popsal Case, ale nevyvodil žádné závěry o možné funkci těchto orgánů. Ve studii z roku 2001 o biomechanice zubů dinosaura Albertosaura William L. Abler pozoroval, že zkoumané Dimetrodonovy zuby mají zoubky tak jemné, že připomínají trhlinu v zubu. I když Albertosaurus měl podobné zoubky, základ každého zoubku zahrnoval kulatou prázdnotu, která by fungovala tak, aby rozložila sílu na větší plochu. Tyto dutiny, nazývané ampule, by bránily schopnosti „trhliny“ vytvořené zoubkem se šířit skrze zub. Zjistilo se, že Dimetrodon postrádá adaptace pro zabránění šíření „trhliny“.
Robustní nohy Dimetrodona byly roztaženy vedle těla. Soudě podle stavby nohou se jednalo o poměrně rychlé a plynule se pohybující zvíře, zejména ve srovnání s jeho robustní postavou býložravými příbuznými. Je vidět tvar kyčelních kostí, zadních nohou a kloubů mezi obratli.
Nejvýraznějším rysem Dimetrodonu byly jeden metr dlouhé výčnělky v zadní části páteře, tedy páteřní procesy označované také jako ostny. Tento rys se vyskytuje také u dinosaura Spinosaura, protože tyto ostny mají široký základ a pak jeho dlouhý a štíhlý se špičatou špičkou. Má se za to, že ostny byly spojeny pevnou kůží, a tak tvořily plachtu na zádech. Bylo učiněno mnoho návrhů ohledně funkce plachty; jako kamufláž mezi rákosím, zatímco čekala na kořist, na sexuální ukázku, nebo doslova jako plachta při plavání. Romer a Price nejprve navrhli, že sloužila mechanické funkci a posilovala páteř, nebo pro ukázku, ale Romer si později uvědomil, že plachta se vyvinula s rysy silně naznačujícími raný pokus o regulaci teploty.
Skutečnost, že tyto ostny jsou přítomny jak v Dimetrodonu, tak v Edaphosauru, dvou zvířatech v podobných geologických obdobích, by naznačovala, že tyto ostny měly významnou hodnotu pro přežití v důsledku faktorů prostředí. Ve studii vztahu mezi tělesnou teplotou a krevním tlakem Rodbard analyzoval vývoj termoregulace, která byla podle něj jednou z možných funkcí plachet Dimetrodonu a Edaphosaura. Hřbety Dimetrodonu mají na základně rýhy, které byly pravděpodobně pozřeny cévami, a tak zajistily dobrý průtok krve kůží plachty.
Teorie říká, že Dimetrodon byl aktivní brzy ráno, když vyšlo slunce. Plachta by byla namířena proti slunci a pohlcovala by teplo umožňující rychlé oteplení. To umožnilo Dimetrodonovi lovit v době, kdy ostatní zvířata nebyla dostatečně zahřátá a byla pomalá. Plachta zvětšila plochu povrchu těla o 50%. Podle výpočtů Bramwella Fellgetta trvalo Dimetrodonovi 200 kg (440 lb) přibližně jednu a půl hodiny, než jeho tělesná teplota stoupla z 26 na 32 °C (79 na 90 °F)
Haackova studie došla k závěru, že oteplování je pomalejší, než se dříve myslelo, a že proces trvá pravděpodobně čtyři hodiny. Proto Aby Dimetrodon ochladil své tělo v horkém poledním slunci, odvrátil plachtu od slunce, což způsobilo, že teplo odteklo. Rychlé oteplování pomocí plachty dává Dimetrodonu náskok před většími zvířaty, vážícími přes 55 kg. Menší zvířata měla vyšší poměr tělesného povrchu k hmotnosti, takže byla teplejší než Dimetrodon. Kořistí Dimetrodonu by proto byla většinou velká zvířata jako Diadectes, Eryops a Ophiacodon. Novější výzkumy podporují Haackovy poznatky a vedou některé vědce k závěru, že plachta byla neúčinným způsobem regulace tělesné teploty a zvyšuje pravděpodobnost, že plachta byla použita k sexuálnímu vystavení. Měnící se klima během permského období, kdy se teplota zvýšila, je možným důvodem vyhynutí Dimetrodona, protože plachta neznamenala žádný prospěch oproti jiným zvířatům a byla spíše nevýhodou kvůli své křehkosti.
Vztah k moderním savcům
Jako synapsid byl Dimetrodon vzdáleně příbuzný s moderními savci. Synapsidy byly prvními tetrapody, u kterých se vyvinuly diferencované neboli heterodontní zuby. Zatímco plazi sotva žvýkají potravu a v podstatě ji hltají, synapsidy jako Dimetrodon vyvinuly zuby, které pomáhaly stříhat maso na menší kousky pro snazší trávení. Tyto „dvourozměrné zuby“ nakonec daly vzniknout různým druhům zubů, které se vyskytují u moderních savců.
Fosilie jsou známy ze Spojených států (Texas, Oklahoma, Nové Mexiko, Arizona, Utah a Ohio) a Německa, oblastí, kde první části Permianu byly součástí superkontinentu Euramerica. Většina fosilních nálezů je součástí nížinných ekosystémů, během Permianu by se jednalo o rozsáhlé mokřady. Zejména Red Beds v Texasu je oblast velké rozmanitosti fosilií druhů Dimetrodon a dalších druhů z raného Permianu. Fosilie pocházejí z doby před 290 až 270 miliony let, což znamená, že žila od cissuralianského do guadalupského období. Dimetrodon se pravděpodobně vyvinul z předka podobného Sphenacodonu. Podnebí pozdního karbonu (Pennsylvanaen) a raného Permianu (Asse Lien, Sakmarien, Arti Skiing) mělo za následek teplé, vlhké ekosystémy v subtropických a tropických zónách, které se skládaly z rozsáhlých mokřadních oblastí. V addition,n byly na jižní polokouli velké ledové příkrovy, které se táhly asi 30° jižně. Fauna byla v tomto období soustředěna proto v tropických a subtropických zónách. Převládali vodní a polovodní tetrapodové, zatímco suchozemští predátoři jako Dimetrodon byli z velké části živočichové krmení vodou. Raná permská měla sušší a teplejší podnebí, kde se začaly rozvíjet pouště. To vedlo ke změně klimatu způsobující velké vymírání tetrapodů, čímž se uvolnila cesta pro rozvoj terapeutů. Dimetrodon byl jako vrcholový predátor nahrazen masožravci jako Biarmosuchia a Dinocephalia.