Protocetus mesurait environ 2,5 mètres de long, mais il était relativement primitif. Il avait encore de petites nageoires postérieures et ses nageoires antérieures avaient des orteils palmés. Sa mâchoire est longue et bordée de dents meurtrières. Les os de la queue laissent penser que celle-ci a peut-être évolué en nageoire caudale, et alors qu'il n'y avait pas encore d'évent, les narines avaient déjà commencé à se déplacer vers l'arrière de la tête.
Contrairement à son prédécesseur plus primitif, le genre Pakicetus, la structure de l'oreille de Protocetus laisse à penser que Protocetus pouvait entendre correctement sous l'eau, mais il est peu probable qu'il ait eu la capacité de l'écholocalisation. De même, il a conservé un bon appareil olfactif qui lui permettait d'avoir un bon sens de l'odorat, mais il a probablement compté davantage sur sa vision pour trouver ses proies.
