Figura. El cráneo de Dilophosaurus

El cráneo de Dilophosaurus era alargado, relativamente ligero y fuertemente fenestrado, con una gran narina externa, una amplia fenestra anteorbital, una órbita desarrollada y grandes aberturas temporales. Sobre la región dorsal del hocico se elevaban las características dos crestas craneales longitudinales, formadas principalmente por huesos nasales y lacrimales modificados. Estas crestas no eran simples adornos superficiales: formaban parte integral del cráneo y estaban asociadas con una notable neumatización, aunque probablemente cumplían también funciones de exhibición visual y reconocimiento intraespecífico.

La dentición estaba compuesta por numerosos dientes largos, recurvados y comprimidos lateralmente, adecuados para perforar y desgarrar tejidos. El premaxilar y el maxilar sostenían dientes de tamaños diferentes, mientras la mandíbula inferior conservaba una fenestra mandibular externa bien desarrollada. Durante mucho tiempo se interpretó que el cráneo era demasiado débil para una depredación activa, pero estudios anatómicos recientes indican una estructura más robusta, capaz de soportar cargas funcionales propias de un terópodo carnívoro de tamaño medio.

La combinación de crestas pares, fenestración amplia, dentición recurvada y rostro elongado convierte a Dilophosaurus en un ejemplo temprano de diversificación craneal dentro de Theropoda. Su anatomía muestra que, ya en el Jurásico Inferior, los terópodos podían combinar estructuras relacionadas con alimentación y ornamentación en un mismo cráneo. No existe evidencia anatómica de veneno ni de un volante cervical desplegable; esas características pertenecen a reconstrucciones ficticias y no a la paleobiología conocida del animal.