Pelagosaurus era notoriamente similar al moderno gavial, con el cual comparte adaptaciones y hábitos alimenticios.

[2]​ Las relaciones evolutivas de Pelagosaurus han sido confusas y ha habido tres diferentes interpretaciones de su lugar dentro de Thalattosuchia: Loas análisis filogenéticos más recientes han encontrado que Pelagosaurus era un teleosáurido primitivo,[13]​[14]​[15]​ más que un metriorrínquido basal o un talatosuquio.

Pelagosaurus tenía 30 dientes capaces de cazar y ensartar peces, crustáceos y moluscos mientras nadaban; incluso, un espécimen fósil fue encontrado con un Leptolepis— un pez teleósteo primitivo— en la región de su estómago.

Pelagosaurus era bastante similar a los cocodrilos modernos, y pudo haber andado de manera similar, agitando su cola de lado a lado, aunque su estructura vertebral es más ágil, probablemente para permitir mayor movimiento en el agua que sus parientes modernos.

Pelagosaurus probablemente solo emergía del agua para depositar sus huevos o descansar en las riberas, pasando el resto del día en el agua a la que se había adaptado.