Der Großzahnhai erreichte eine durchschnittliche Größe von 15 Metern, wobei die Weibchen noch etwas größer wurden als die Männchen. Die namensgebenden großen Zähne waren bis zu 18 Zentimeter lang. In dem drei Meter breiten und zweieinhalb Meter hohen Maul, bildeten 276 der scharfkantigen, dreieckigen Zähne das Gebiss. Die Zähne waren v-förmig im Gebiss verwurzelt und konnten nachwachsen, so wie es auch bei heutigen Haiarten der Fall ist. Über den restlichen Körperbau ist sehr wenig bekannt, da Fossilienfunde kaum Rückschlüsse auf den übrigen Aufbau des Tieres zulassen.
Verbreitung und Lebensraum
Da es in allen Kontinenten, außer in der Antarktis, Fossilienfunde gab, besiedelte der Großzahnhai wahrscheinlich weltweit die Meere. Am wohlsten fühlte er sich aber vermutlich in wärmeren Küstenregionen mit Wassertiefen unter 200 Meter. Jedoch kam der Hai möglicherweise auch in tieferen Gewässern vor. Fossilien junger Exemplare wurden vermehrt an einigen Orten gefunden, die vermutlich als Kinderstube der Tiere dienten. Da es sich dabei stets um wärmere Orte handelt, geht man davon aus, dass die Jungtiere beim Aufwachsen auf wärmere und seichtere Umgebungen angewiesen waren.
Der ausgewachsene Großzahnhai ernährte sich vor allem von größeren Barten- und Zahnwalen, sowie von Robben. Die jüngeren Exemplare aßen anfangs Fische oder Schildkröten und später kleinere Wale und Seekühe. Der Jäger biss seiner Beute zuerst die Flossen ab, um sie am Flüchten zu hindern und biss dann in die überlebenswichtigen Organe, wodurch er seine Beute sofort tötete. Da die Wale als Säugetiere homoiotherm sind, konnten sie auch in kälteren Gewässern überleben, wo der Großzahnhai sie nicht jagen konnte. Deswegen ist er vermutlich irgendwann verhungert und die Art schließlich ausgestorben.
Wie alle Fische pflanzte sich auch der Großzahnhai über das Legen von Eiern fort. Die in den wärmeren Gewässern oftmals zu tausenden gelegten Eier, hatten nur sehr geringe Überlebenschancen. Die geschlüpften Jungtiere waren zu Beginn ihres Lebens ebenfalls eine sehr leichte Beute und nur sehr wenige wurden zu ausgewachsenen Exemplaren. Haie kümmern sich nicht um ihre Jungen; sie verlassen die Eier direkt nach der Ablage und fressen sogar die Jungtiere ihrer eigenen Art. Über die artenspezifische Fortpflanzung des Großzahnhais ist wenig bekannt, da die Fossilien keine Rückschlüsse auf das Paarungsverhalten ermöglichen.