Se trata de un terópodo adaptado a la carrera, de complexión ligera, con una larga cola, cuello flexible y dientes afilados, de unos 30 kg de peso, 3 metros de longitud y uno de altura, que se alimentaría de pequeños ornitópodos como Scutellosaurus, aunque también se han encontrado ejemplares con restos de crías de su misma especie en el interior de la caja torácica, lo que evidencia que también practicaba el canibalismo. En un principio se penso que se trataría de crias que salieron de sus huevos estando aún en el interior de la madre, pero se ha comprobado que sus huesos estaban muy desarrollados como para ser recién nacidos. Tuvo que compartir su entorno con grandes depredadores como fitosaurios y rauisúquidos, reptiles lejanamente emparentados con los dinosaurios. Coelophysis muestra en su mandíbula superior un rasgo singular: se trata de un retorcimiento similar al que aparece también en las mandíbulas de los espinosáuridos, razón por la que algunos piensan que este rasgo indica que los espinosáuridos serían formas tardías de Coelophysis.

Un cráneo de Coelophysis del Museo Carnegie de Historia Natural fue el primer dinosaurio fósil en viajar al espacio el 22 de enero de 1998, cuando la lanzadera espacial Endeavour despegó hacia la Estación Espacial Mir.