Penyu Tempayan ialah penyu dengan cangkerang keras yang terbesar, berbanding Penyu hijau dan Kura-kura Galapagos. Ia juga penyu kedua terbesar selepas Penyu belimbing.[6][7][8] Penyu dewasa mempunyai berat sekitar 80 ke 200kg dan panjang antara 70 ke 95cm.[6] Berat tertinggi pernah direkodkan adalah 545kg dengan panjang karapas 213cm.[6] Kepala dan karapas (tempurung) berwarna antara jingga kekuningan hinggalah coklat kemerahan, manakala bahagian plastron (perut) biasanya berwarna kuning pucat.[9] Leher dan bahagian tepinya berwarna coklat dan kekuningan.[10]

Cangkerangnya terbahagi kepada dua: karapas dan plastron. Karapas terbahagi kepada lima keping yang digelar skut.[9] Biasanya 11 atau 12 pasang skut marginal membentuk karapas.[11] Lima skut vertebral pada bahagian tengah karapas, sementara lima pasang skut kosta disekelilingnya.[12] Skut nukal terletak di dasar kepalanya.[12] Karapasnya disambungkan dengan cangkerang plastron (perut) oleh tiga pasang skut inframarginal yang membentuk penyambung antara tempurung belakang dengan cangkerang perutnya.[12] Plastronnya terdiri daripada sepasang skut gular, humeral, pektoral, abdominal, femoral, dan skut anal (dubur).[11] Cangkerangnya berfungsi sebagai perisai, walaupun penyu tempayan tidak boleh memasukkan kepala dan kesemua kakinya ke dalam cangkerangnya sendiri.[13]

Penyu dewasa mempunyai diformisme jantina. Penyu dewasa jantan mempunyai ekor dan kuku lebih panjang berbanding betina. Plastron jantan lebih pendek berbanding betina. Karapas jantan lebih luas dan rendah berbanding betina, dan biasanya kepala penyu jantan lebih besar berbanding betina.[14] Jantina anak penyu tidak boleh ditentukan dengan hanya melihat anatominya sahaja, tapi melalui diseksi (pembedahan), laparoskopi (pembedahan abdomen), analisis histologi (anatomi sel), dan radioimmunologi iaitu melalui pelabelan Isotop (radiolabeling).[14]

Kelenjar lakrimal terletak di belakang setiap mata membolehkan ia mengawal proses osmosisnya sendiri dengan menyahkan lebihan garam dari air laut. Di darat, penyu yang dilihat sedang menangis sebenarnya adalah proses perkumuhan lebihan garam dari badannya.[15]