水熊体型极小，最小只有50微米，而最大的则有1.4毫米，必须用显微镜才能看清，身体表层覆盖着一层水膜，该水膜用于避免身体干燥，同时可呼吸水膜中的氧气。水熊是地球上已知生命力最强的生物，可以在没有防护措施的条件下在外太空生存，在喜马拉雅山脉、温泉、南极和深海都能生存。
水熊通常是雌雄异体。它们的性腺是次体腔（事实上，所有的节肢动物都是这样）的残留物，是不成对的囊状器官，或者是在肛门前向外开口，或者是向终肠开口。卵巢是不成对的囊，输卵管开口于腹面或通向直肠。属于卵生，卵子并不需要事先受精就可以被排出体外，直接发育。
无呼吸及循环系统。
水熊体节与其他节肢动物身体之间的关系难以确定，一种解释是水熊实际上就只有脑袋和腿。在进化历史上某个时点，水熊失去了与体节发育有关的多个基因，也失去了对应于其他节肢动物胸、腹的多个身体部分。水熊今天所具有的“分节”的身体方案与其他节肢动物的头节很相似，这表明进化历程中获得头部的方式并非单一。换句话说，既可以只有脑袋没有身体，也可以既有脑袋也有身体。