Figura. El cráneo de Allosaurus

El cráneo de Allosaurus era relativamente ligero, alargado y ampliamente fenestrado, una combinación que reducía masa sin eliminar la resistencia necesaria para la depredación. Presentaba una gran fenestra anteorbital, una órbita amplia y extensas aberturas temporales asociadas con la musculatura mandibular. Sobre los ojos sobresalían prominencias formadas principalmente por los huesos lacrimales, rasgo característico del género y probablemente relacionado con exhibición visual o reconocimiento intraespecífico, además de modificar localmente la arquitectura craneal.

La dentición estaba formada por numerosos dientes recurvados, comprimidos lateralmente y serrados, adaptados para cortar y desgarrar tejidos. A diferencia de Tyrannosaurus, los dientes no estaban diseñados principalmente para resistir enormes cargas de compresión y fracturar huesos, sino para producir lesiones profundas mediante bordes cortantes. La mandíbula inferior era larga y relativamente ligera, con una gran fenestra mandibular externa. Las zonas posteriores del cráneo proporcionaban espacio suficiente para los músculos aductores, aunque la fuerza de mordida absoluta era menor que la de los tiranosáuridos gigantes.

Los estudios biomecánicos indican que Allosaurus probablemente combinaba mordidas rápidas con movimientos vigorosos de cabeza y cuello. Su cráneo podía soportar cargas importantes pese a la abundancia de fenestras, gracias a la distribución de tensiones entre barras óseas y regiones reforzadas. Esta arquitectura representa una estrategia depredadora diferente de la trituración ósea: un sistema basado en penetración dental, corte, desgarro y movilidad cefálica. Así, el cráneo de Allosaurus ejemplifica cómo los grandes terópodos podían alcanzar gran eficacia depredadora sin desarrollar necesariamente una mordida extremadamente poderosa.