Os Tardígrados têm corpos cilíndricos com quatro pares de pernas atarracadas. A maioria tem entre 0,3 e 0,5 milímetro de comprimento, mas a maior espécie pode alcançar 1,2 milímetro. O corpo tem quatro segmentos (sem contar a cabeça), quatro pares de pernas sem articulações, e oito patas com quatro a oito garras em cada. A carapaça contém quitina e é trocada periodicamente.
Tardígrados são eutélicos, com todos os tardígrados adultos tendo o mesmo número de células. Algumas espécies têm até cerca de 40000 células nos adultos, enquanto outras têm bem menos.
A cavidade corporal consiste de uma hemocele, mas a única parte com uma celoma real é encontra ao redor das gônadas. Não há órgãos respiratórios, com a troca gasosa ocorrendo ao longo de todo o corpo. Alguns tardígrados têm três glândulas tubulares associadas ao reto; estas podem ser órgãos excretores similares aos túbulos de Malpighi dos artrópodes, mas os detalhes permanecem um mistério.
A boca tubular tem dois estiletes, que são usados para perfurar as células de plantas, algas ou pequenos invertebrados dos quais os tardígrados se alimentam, liberando os fluídos corporais ou conteúdo celular. A boca abre em uma faringe muscular e trirradial. Os estiletes se perdem quando o animal troca de pele, e um novo par é secretado de glândulas que ficam em cada lado da boca. A faringe consiste de um esôfago curto, que se conecta a um intestino que ocupa a maior parte do comprimento do corpo. Algumas espécies só defecam quando trocam de pele, deixando as fezes para trás com a carapaça abandonada
O cérebro tem múltiplos lobos, a maioria consistindo de três agrupamentos de neurônios pareados bilateralmente. O cérebro é ligado a um grande gânglio abaixo do esôfago, do qual um cordão nervoso ventral duplo que percorre o comprimento do corpo. O cordão possui um gânglio por segmento corporal, cada um produzindo fibras nervosas laterais que se estendem até os membros. Muitas espécies possuem um par de olhos do tipo rabdomérico, e há numerosas cerdas sensoriais na cabeça e no corpo.
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