Figura. El cráneo de Microraptor gui

El cráneo de Microraptor gui era pequeño, alargado y ligero, con un hocico estrecho y una órbita proporcionalmente grande, rasgos comunes entre numerosos paravianos de pequeño tamaño. Presentaba una fenestra anteorbital amplia, barras óseas delgadas y una región temporal abierta que contribuía a reducir el peso de la cabeza. Esta construcción era compatible con un animal ágil y de masa corporal reducida, cuya locomoción incluía probablemente desplazamientos aéreos o planeados además de movimiento terrestre.

La dentición estaba formada por numerosos dientes pequeños, recurvados y puntiagudos, adecuados para sujetar presas pequeñas. A diferencia de linajes avialanos posteriores, Microraptor conservaba una boca completamente dentada y no había desarrollado un pico queratinizado. La mandíbula inferior era larga y delgada, con una fenestra mandibular externa evidente. Los dientes estaban mejor adaptados para perforar y retener que para triturar tejidos duros. Esta morfología concuerda con evidencias directas de alimentación, que indican consumo de pequeños vertebrados, incluidos peces, lagartos, mamíferos y aves primitivas.

Desde una perspectiva evolutiva, su cráneo muestra claramente la evolución en mosaico característica de Paraves. Microraptor poseía plumas pennáceas aerodinámicas y una anatomía corporal muy relacionada con la locomoción aérea, pero mantenía un cráneo depredador dentado semejante al de otros dromeosáuridos. Las grandes órbitas y el neurocráneo relativamente desarrollado reflejan una creciente importancia de la visión, coordinación y equilibrio. Así, demuestra que caracteres asociados al vuelo evolucionaron antes y de manera independiente respecto de la reducción dental y formación del pico típica de muchas aves posteriores.