Tenían aspecto de reptil y gran tamaño; había especies carnívoras de unos 2 metros de longitud, y especies herbívoras que alcanzaban los 3 m; algunos fueron semiacuáticos y otros completamente terrestres.

En un principio fueron incluidos en el orden Cotylosauria y se consideraron los reptiles más primitivos.

Más recientemente, han sido reclasificados como tetrápodos estrechamente emparentados tanto con los anfibios como con los amniotas.

[1]​[2]​ Los diadectomorfos parecen haber evolucionado durante el Misisípico Superior, aunque no se hicieron abundantes hasta el Pensilvánico Superior y el Pérmico Inferior.

Según Tree of Life,[3]​ los diadectomorfos son el grupo hermano de los verdaderos reptiles y de todos los amniotas, como puede observarse en el siguiente cladograma: Anfibios modernos y formas extinguidas estrechamente emparentadas Solenodonsaurus † Diadectomorpha † Amniota (reptiles, aves, mamíferos)