Pterosphenus appartient à la famille de serpents fossiles aquatiques Palaeophiidae, où il est placé traditionnellement avec le genre Palaeophis dans la sous-famille des Palaeophiinae[2]. Cependant, la position phylogénétique du groupe et la topologie interne au sein de la famille sont encore approximatives, de par le caractère partiel des fossiles trouvés[3]
Connu seulement par des vertèbres isolées et articulées, Pterosphenus semble avoir été un serpent aquatique de taille imposante, fortement adapté à l'environnement marin[8]. Il possédait ainsi des vertèbres caractéristiques, très hautes et aux ptérapophyses fortement développées, qui lui conféraient un aspect général particulièrement comprimé latéralement[2]. Comme pour les autres Palaeophiidés, ces caractères semblent avoir été directement impliqués dans sa propulsion active liée à son mode de vie pélagique[9],[8],[2]. Basée sur l'espèce nord-américaine P. shucherti, sa taille est estimée entre 2,5 et 4,8 m, avec un maximum de 5,7 m de longueur pour les plus grandes vertèbres étudiées. Aucun crâne ou élément crânien n'a encore été découvert ou scientifiquement décrit[8].
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