Junto con las cuatro especies de equidna, es una de las cinco especies que perviven en la actualidad del orden de los monotremas, únicos mamíferos actuales que ponen huevos en lugar de dar a luz crías vivas. Es el único representante vivo de la familia Ornithorhynchidae y del género Ornithorhynchus.
La extraña apariencia de este mamífero ponedor de huevos, venenoso, con hocico en forma de pico de pato, cola de castor y patas de nutria desconcertó a los naturalistas europeos cuando se lo encontraron por primera vez, llegando incluso a ser considerado por algunos como una elaborada falsificación. Es uno de los pocos mamíferos venenosos; los machos tienen un espolón en las patas posteriores que libera un veneno capaz de producir un dolor intenso a los humanos. Sus características únicas lo convierten en importante sujeto de estudio en el campo de la biología evolutiva, así como un símbolo reconocible e icónico de Australia; ha aparecido como mascota en acontecimientos nacionales y aparece al dorso de la moneda de 20 céntimos australiana. El ornitorrinco es el emblema animal del estado de Nueva Gales del Sur.
Hasta principios del siglo XX se lo cazaba por su piel, pero actualmente está protegido en todo su ámbito de distribución. A pesar de que los programas de reproducción en cautividad han tenido un éxito bastante limitado y que es una especie vulnerable a los efectos de la contaminación, no se considera que se encuentre bajo amenaza inmediata.
 

Cuando el ornitorrinco fue descubierto por primera vez por los europeos en 1798, el capitán John Hunter, segundo gobernador de Nueva Gales del Sur, envió un bosquejo y la piel de un ejemplar a Gran Bretaña. A la vista de tan extraño animal, los científicos británicos creyeron encontrarse ante una broma pesada. George Shaw, que en 1799 hizo la primera descripción del ornitorrinco en la revista Naturalist's Miscellany, afirmó que era imposible no haber mostrado dudas sobre su autenticidad y Robert Knox creyó que podría haber sido creado por algún taxidermista asiático. Se creía que alguien había cosido el pico de un pato al cuerpo de un animal parecido a un castor. Shaw incluso utilizó unas tijeras para comprobar si había suturas en la piel disecada.
Por lo general es de un color marrón intenso en la espalda y los lados de la cabeza, cuerpo y parte superior de las patas; la región ventral es de un color rubio o gris sedoso. El cuerpo y la ancha cola plana están cubiertos con un pelaje espeso que retiene una capa de aire aislante que mantiene al animal caliente. La cola es similar a la del castor, pero a diferencia de éste, que la emplea para propulsarse, el ornitorrinco sólo la utiliza para maniobrar en el agua; asimismo utiliza la cola como almacén de reservas de grasa, una adaptación que también presentan animales como el diablo de Tasmania (Sarcophilus harrisii). Tiene patas palmeadas y un gran hocico ancho y plano, cubierto de una piel suave y de aspecto similar a goma húmeda; estos rasgos son más parecidos a los encontrados en un pato que a los encontrados en cualquier mamífero conocido. La membrana que posee entre los dedos de las patas delanteras es mayor que la de las posteriores y sobrepasa el extremo de los dedos para conseguir mayor superficie de empuje, ya que es con las extremidades anteriores con las que se desplaza durante el buceo. Cuando se desplaza por tierra pliega dicha membrana hacia atrás, dejando expuestas sus fuertes uñas.
A diferencia del pico de las aves, en el que las partes superior e inferior se separan para revelar la boca, su hocico es un órgano sensorial con la boca en la parte inferior. Los orificios nasales están situados en la superficie dorsal del hocico, mientras que los ojos y las orejas se encuentran en un surco situado justo detrás del hocico; este surco se cierra cuando el animal nada. Tiene aproximadamente la mitad de receptores olfativos que la mayoría de los mamíferos, sin embargo cuenta con la habilidad de oler bajo el agua, adaptación valiosa durante su búsqueda subacuática de alimento. Los investigadores piensan que esta habilidad puede haberse ganado cuando el linaje de los ornitorrincos experimentó una expansión en los genes que codifican para cierto receptor de olor llamado receptor vomeronasal. Se ha escuchado a ornitorrincos emitir un gruñido grave cuando se los molesta, y en ejemplares en cautividad se han registrado varios tipos de vocalizaciones.
 

Más información sobre el ornitorrinco.