El tilacino es un ejemplo clásico de convergencia evolutiva en la literatura científica, dado su notable parecido con los cánidos de otros continentes (el cognomen taxonómico cynocephalus significa "cabeza de perro"). Al igual que éstos era un carnívoro adaptado a la captura de presas de tamaño pequeño o medio tras lanzarse a la carrera. Tenía un cuerpo estilizado, patas finas aunque no demasiado largas y cola delgada. El pelaje era corto y de color leonado, con rayas negras (o café oscuro) en los cuartos traseros y cola (de ahí el apelativo de "tigre"). Las mandíbulas, provistas de 46 dientes, podían abrirse hasta extremos asombrosos (aproximadamente 120°), más propios de un reptil que de un mamífero, permitiéndoles engullir grandes pedazos de carne sin masticar.
La especie se extinguió antes de ser estudiada en profundidad por zoólogos, por lo que no se sabe muy bien qué técnicas usaba para cazar, aunque varios testimonios recogidos hacen suponer que detectaba a sus presas preferentemente por el olfato, seguido del oído; mas el colorido desarrollado de su pelaje proveía camuflaje que indica que era un predador que podía esperar a su presa, ya que antes de la llegada de los colonos ingleses y de los dingos el tilacino no tenía competencia, por ser marsupial y animal más desarrollado.
Según los colonos ingleses del siglo XIX, este animal emitía unos sonidos similares al ladrido de un fox terrier. Los machos eran más grandes y robustos que las hembras. Éstas poseían una bolsa que se abría hacia atrás, donde se alojaban hasta cuatro crías que nacían muy desvalidas, y seguían a su madre un tiempo después de abandonar el marsupio.
