海星不属于鱼类，而是属于更加古老的动物类群——棘皮动物。棘皮动物(即“表皮上有棘刺的动物”)还包括海胆和海参，它们最初起源于大约5.5亿年前的寒武纪早期，并且从那以后再没有多少改变。与软体动物和昆虫不同，棘皮动物具有内骨骼，由骨板组成，主要成分为碳酸钙。这个特点使得它们与包括人类在内的所有脊椎类动物具有了直接的亲缘关系。
它们没有一个处于中枢位置的大脑，另外由于身体呈星状，所以也没有前后之分。与大脑最类似的组织是围绕在它们嘴周围的一圈神经环。其他各条神经都从这里延伸到各个腕中。当一条腕移动时——通常是靠近食物的腕先开始移动——它就会通过神经传递信息，让其他的腕也跟随着一起移动。这种系统的一个极佳的优点在于海星能够再生出断掉的腕。对于蓝海星(Linckia spp.)来说，断掉的腕甚至还能再生出一个新的海星。这个过程的最初阶段是再生出一个巨大的腕，然后是一个微小的身体和四个微小的腕，这使它看上去就像海上漂浮的一颗彗星。
海星有一张嘴，位于身体的下面，还有一个肛门，位于身体的上面，它们在耳、眼、鼻等器官出现之前的很长一段时间就出现了，因此海星不具有发达的感觉器官。代替这些器官所具有的功能的，是位于它们身体下面的数百只多功能的管足。它们利用这些管足来进行呼吸、移动和把自己吸附在猎物的身上。它们也具有嗅觉功能，在布满表皮的感觉细胞(每平方厘米40万个)的帮助下，可以感受周围海水中化学物质成分的变化，并且根据潜在的猎物所释放的“气味流”来锁定它们所在的位置。在腕的顶端，“眼点”(可能是变异的腕)能感觉到光的强弱变化。
海星利用简单的水力学原理进行移动。在它们的身体上有一个特殊的像过滤网一样的开口，称作筛板，通过这个筛板把海水吸进体内，然后自动地分配给所有的管足。然后，通过海水依次在管足的挤出和吸入，海星就能够以惊人的速度进行移动了。有些种类的游进速度可以达到每分钟0.9米。
海星交配时对于腕的长度有很严格的要求。海星的每条腕上都有一个大的性器官，但是如果不做解剖就根本无法判断它们是雄性的还是雌性的。在产卵的时候，它们成群地聚在一起，如果雄性察觉有卵子存在就会把精子释放在水里；而雌性在察觉到了精子后，就会一次释放出超过250万个的卵子。海星的幼体与成年海星完全不一样，海星的幼体看上去更像自由游动的浮游生物。后来，它们长出了腕，下沉到海底，吸附在一块岩石上，最后通过变态成为成体。
发育成熟的海星几乎没有天敌。在它们的多刺的皮肤上布满了微小的螯钳，任何打扰它们的东西都会遭到这些螯钳的夹捏。它们还会“清理”自己的皮肤，以免受到寄生虫的侵扰。有一个种类——砂海星(Luidia sp.)当遭到捕捉的时候，身体就会立即分解为碎片。
海星几乎可以吃掉任何因移动速度慢而不能逃脱的动物，尤其是贻贝和牡蛎。最近在法国莫尔比昂海湾的外面发现了分布范围达2.6平方千米的海星群，密度达到了每平方米155只，它们沿着海底缓慢移动，所到之处，所有东西都被一扫而光。