Il Carnotaurus era un predatore bipede, lungo dai 7,5 ai 9 metri, alto fino a 4 metri e con un peso di circa 1,35 tonnellate. Era dotato di un collo muscoloso che sorreggeva un cranio allungato e profondo. Gli occhi erano piuttosto piccoli, con una visione bilaterale decisamente meno importante del suo senso dell’olfatto.

Come il Tirannosauro, anche il Carnotauro aveva arti anteriori di piccole dimensioni ma quelli del Carnotaurus erano in assoluto i più piccoli, con una forma tozza e, molto probabilmente, erano privi di qualsiasi funzione pratica. Gli arti posteriori erano invece lunghi e sottili, particolarmente indicati alla corsa, cosa che faceva del Carnotauro forse uno dei teropodi più veloci oltre che uno dei più grandi.

L’uso che il Carnotauro faceva delle sue corna, prolungamento delle ossa frontali, non è certo. Forse le usava come strumento di difesa nei combattimenti o forse per uccidere piccole prede.

A differenza di altri teropodi, il Carnotaurus aveva inoltre un'armatura, sotto forma di piccoli osteodermi, che scendevano al centro della schiena e che dovevano essere ricoperti da pelle. I ritrovamenti fossili presentano vaste tracce di questa pelle, fatta di scaglie dalla forma poligonale, affiancate le une alle altre e di circa 5 mm di diametro. Sul fianco il Carnotauro invece presentava grosse protuberanze. I ritrovamenti fossili non presentano invece tracce di piume, la cui presenza non è tuttavia del tutto esclusa.