Figura. El cráneo de un troodóntido

El cráneo de un troodóntido era generalmente alargado, bajo y ligero, con un hocico estrecho y una órbita proporcionalmente grande. La región facial conservaba la fenestra anteorbital, mientras la parte posterior del cráneo alojaba un neurocráneo relativamente expandido en comparación con muchos otros terópodos. Esta combinación refleja una tendencia importante dentro de Paraves: disminución relativa del rostro y aumento del espacio dedicado al encéfalo y los órganos sensoriales, especialmente visión y equilibrio.

La dentición estaba formada por numerosos dientes pequeños, estrechos y recurvados, aunque su forma variaba entre especies. En varios troodóntidos los dientes posteriores poseían dentículos relativamente grandes, mientras los anteriores podían ser más finos. Esta heterogeneidad ha generado distintas interpretaciones sobre la dieta, desde depredación de pequeños vertebrados e invertebrados hasta cierta omnivoría en algunos linajes. La mandíbula inferior era larga y relativamente delicada, adecuada para movimientos rápidos de captura más que para desarrollar fuerzas comparables con las de grandes terópodos especializados en trituración.

Uno de los rasgos más destacados era el desarrollo del sistema neurosensorial. Los moldes endocraneales indican un cerebro relativamente voluminoso, con regiones asociadas a visión, coordinación y equilibrio bien desarrolladas. Las grandes órbitas y anillos escleróticos sugieren una importante dependencia de la visión, aunque no todos los troodóntidos necesariamente compartieron los mismos hábitos diarios. En conjunto, su cráneo representa una combinación de dentición depredadora ancestral con tendencias más derivadas, como expansión cerebral, grandes órganos visuales y aligeramiento craneal, características fundamentales para comprender la transición evolutiva entre pequeños terópodos maniraptores y los primeros avialanos.