头甲鱼的头甲和身体的腹面都是平的。根据笨重的头甲和平的腹面，不难想象它们是游泳能力不强的底栖动物。

在头甲背面一对眼孔彼此靠得非常近，在眼孔之前乃是一个哑铃形的鼻孔，在鼻孔后面，两眼之间是一个很小的松果孔。此外，在头甲的两侧和眼后中央，还有三个由小骨片镶嵌起来的区域。对于这三个区域的功能，人们曾有过种种推测，并根据各人的推测给它们起过不少名称，如“电区”，“感觉区”等，但至今还没有一种推测能够证明是可信的。在头甲腹面是一个由许多骨片镶嵌起来的大的圆形窗，这个圆形窗覆盖着的是口腔和鳃区。因为有着这样的镶嵌构造，所以咽部有相当的弹性，有利于鳃的呼吸活动。圆形窗的前缘是一般呈圆形的口孔，10对小而圆的鳃孔，沿着圆形窗的边缘排列成一个圆圈。

从头甲鱼的这付外貌上，似乎很难与圆口类联系起来，实际上却不然。圆口类是现生脊椎动物中仅有的只有一个鼻孔的动物，而头甲鱼恰恰也是一个鼻孔。特别是当我们把头甲鱼和七鳃鳗它们的鼻孔、眼孔以及松果孔之间的排列位置作一比较时，就会发现二者之间真是维妙维肖。圆口类中七鳃鳗的小而圆形的鳃孔，也出现在头甲鱼里。

头甲鱼的头甲覆盖着内颅和鳃弓。头甲鱼的内颅和鳃弓浑然一体成为一个团块，这个团块包裹了脑，而血管和神经则在团块中穿行。其内颅虽属软骨性质，但其表面与血管神经穿行的管道壁，均敷一层骨化骨。由于这种情况，内颅和鳃弓得以在化石中保存下来。就是根据这些管道，人们可以把它的脑的形状和血管神经的分布正确地复原出来。

头甲鱼的脑子与七鳃鳗的脑子同样非常相似，几乎可以把七鳃鳗的脑合适地放进头甲鱼的脑匣里。和七鳃鳗一样，头甲鱼的小脑不发育，大脑大部分为嗅叶占据，且嗅囊紧靠嗅叶。同样也只有10对脑神经，脊髓神经背根不与腹根混合。

头甲鱼的鳃弓和圆口类的鳃弓一样，也不分节。并且其鳃囊位于鳃弓内侧，因此鳃也是来源于内胚层。有意义的是头甲鱼的鳃弓是目前所知在脊椎动物中是最原始的。头甲鱼的10对鳃弓中，前面的第2对将在有颌脊椎动物里发展为咀嚼食物的颌。而最前面的那对鳃弓，这里可以称为前颌弓，在其他无颌类和有颌脊椎动物中则已退化。所以说头甲鱼的鳃弓保留了最原始的林态，乃是因为保持有未分化的前颌弓，这种情况仅见之于头甲鱼。