I ritrovamenti di fossili ascrivibili a questa famiglia di dinosauri sono circoscritti a Nord America, Europa, Asia e – relativamente di recente – al Madagascar. Ornitischi, bipedi obbligati ed erbivori specializzati, sono suddivisi in numerosi generi dai caratteri diversi, vissuti tutti in pieno Cretacico: mentre i generi di taglia maggiore come Gravitholus, Homalocephale (vedi immagine inferiore), Pachycephalosaurus e Prenocephale potevano raggiungere lunghezze di 8 metri, Pachycephalosaurus era lungo fino a 4 metri e mezzo (o, secondo altri studiosi, fino a 6 metri). Fra i generi più piccoli si ricorda Micropachycephalosaurus, lungo appena 50 centimetri. Anche se l’incompletezza dei reperti fossili ha creato numerosi problemi nella ricostruzione di questi dinosauri, si ritiene che essi si siano evoluti a partire da Yaverlandia bitholus, lungo appena 90 centimetri, del quale sono stati ritrovati resti fossili risalenti al Cretacico inferiore: di dimensioni non superiori a quelle di un tacchino, questo piccolo dinosauro ha una coda lunga e irrigidita e presenta ispessimenti sopraorbitali di circa 1 centimetro, allargati fino alla base della nuca.
Secondo le interpretazioni degli studiosi, queste strutture, sviluppatesi col tempo, avrebbero dato luogo alla caratteristica più evidente dei pachicefalosauridi: l’ispessimento della calotta cranica. Il cranio compatto mostra infatti una volta a forma di cupola che, in alcuni generi come Stegoceras, può raggiungere anche i 5 centimetri di spessore.
Questa particolare costituzione delle ossa craniche (una specie di elmo) proteggeva un cervello di piccole dimensioni. Spesso, ai lati della testa e sul muso, si trovano numerosi tubercoli ossei. Oltre al becco predentale tipico degli ornitischi, la bocca ha fino a 36 denti piatti, molto allargati e dai bordi seghettati e taglienti, adatti a tagliare e masticare i vegetali più coriacei, i semi più duri e, forse, anche qualche coleottero. Il cranio era legato a un collo corto e tozzo da muscoli robusti e da numerosi legamenti, e la colonna vertebrale mostra numerosi tendini ossificati: le vertebre, saldamente unite fra loro, formano una struttura rigida e resistente, e la coda, anch’essa compatta per i legamenti ossificati che uniscono le vertebre, forma con il resto del corpo un’unica struttura: molto lunga e larga alla base, controbilancia il considerevole peso della testa. Mentre le zampe anteriori sono ridotte, con 5 dita armate di brevi artigli, le zampe posteriori, che sopportavano tutto il peso del corpo, sono lunghe, forti ed erette, dotate di 4 dita dagli artigli tozzi necessari a una salda presa sul terreno.
L’anatomia di questi dinosauri, e in particolare quella della calotta cranica, fu interpretata da Colbert come legata a un particolare comportamento: essi avrebbero combattuto a testate, gli uni contro gli altri, come accade oggi per vari tipi di mammiferi erbivori. Legamenti, ispessimenti ossei e vertebre compatte sarebbero strutture adatte a scaricare sul resto del corpo le forze sviluppate dagli impatti di un combattimento testa a testa, e la calotta avrebbe protetto dagli urti violenti il cervello, forse isolato anche da particolari tessuti. Si può supporre che questo comportamento fosse legato a una particolare struttura sociale, o che costituisse una strategia difensiva.
Nel primo caso, questi dinosauri avrebbero vissuto in piccoli branchi (come i mufloni o le pecore selvatiche), e lo sviluppo della calotta cranica, caratteristica peculiare dei maschi, sarebbe stata utilizzata nei combattimenti per il possesso delle femmine e per la supremazia sul branco. Questa interpretazione sarebbe avvalorata dal ritrovamento di crani dagli ispessimenti meno pronunciati attribuibili a femmine: lo sviluppo della calotta cranica sarebbe stato dunque un carattere sessuale secondario caratteristico soprattutto dei maschi, e si ipotizza che, unitamente alla presenza dei tubercoli, contribuisse a determinare la loro posizione gerarchica all’interno del branco e la scelta della femmina. Nel secondo caso, invece, è, probabile che solo gli adulti delle specie di taglia maggiore fossero in grado di fronteggiare un assalitore caricandolo a testa bassa, anche se si pensa che i predatori più probabili dei pachicefalosauridi fossero carnivori di taglia relativamente modesta: essi popolavano, più probabilmente, zone rocciose e semiaride di collina o montagna, dove difficilmente i grandi predatori potevano inseguirli. Agili e veloci, i pachicefalosauridi si sarebbero arrampicati facilmente sulle rocce coll’aiuto delle zampe anteriori, e vi avrebbero trovato facile scampo, evitando lo scontro diretto coi predatori.