La homología de estos grandes apéndices con los apéndices cefálicos de otros artrópodos —como los quelíceros de los quelicerados o las antenas de los mandibulados— también ha sido motivo de controversia, lo que refleja la dificultad de interpretar estructuras tan antiguas y únicas. A pesar de estas incertidumbres, los megacheiras están bien documentados en ambientes marinos de todo el mundo desde el Cámbrico inferior hasta el Ordovícico superior, lo que demuestra que fueron un grupo exitoso y ampliamente distribuido durante decenas de millones de años.

Los megacheiras se definen por la presencia de grandes apéndices unirrámeos, es decir, no ramificados, que constituyen su primer par de apéndices cefálicos. Estos apéndices están formados por varios segmentos o podómeros, y presentan una organización muy particular: los uno o dos segmentos proximales, los más cercanos al cuerpo, carecen de espinas, aunque algunos investigadores han argumentado que el supuesto primer podómero proximal podría ser en realidad una membrana artrodial flexible. Los segmentos distales, en cambio, suelen presentar cada uno una espina única que apunta hacia arriba y que está unida al extremo distal del segmento. Esta disposición de espinas alineadas confiere a los apéndices un aspecto amenazador y sugiere una función depredadora. Los segmentos proximales sin espinas suelen estar conectados a los segmentos distales mediante una articulación que recuerda a un codo, permitiendo que el apéndice se curve hacia arriba y hacia adelante. Esta articulación habría permitido movimientos rápidos y precisos, ideales para capturar presas pequeñas o para manipular objetos en el entorno marino.

Los grandes apéndices han sido interpretados como extremidades rapaces implicadas en la depredación, y en algunos géneros, como Yohoia, su estructura se ha comparado con los maxilípedos rapaces del camarón mantis, conocidos por su velocidad y potencia. Esta comparación sugiere que los megacheiras podrían haber sido depredadores activos, capaces de atrapar presas mediante movimientos rápidos y precisos. Sin embargo, la función de estos apéndices no se limita necesariamente a la depredación. En los megacheiras leanchoílidos, como Leanchoilia y Yawunik, las espinas de los apéndices se alargan formando estructuras similares a flagelos, lo que sugiere una función sensorial además de la depredadora. Estos flagelos podrían haber detectado vibraciones, corrientes de agua o señales químicas, proporcionando al animal información crucial sobre su entorno y sobre la presencia de posibles presas o depredadores.

El cuerpo de un megacheira está dividido en dos regiones principales: la cabeza y el tronco. Las extremidades birrámeas del tronco son homónimas, lo que significa que muestran poca diferenciación entre sí. Cada extremidad birrámea está compuesta por un endópodo, la rama inferior similar a una pata, típicamente dividida en siete segmentos o podómeros, y un exópodo en forma de paleta, la rama superior, bordeado por láminas delgadas que probablemente funcionaban como superficies natatorias o respiratorias. Esta combinación de endópodos locomotores y exópodos laminares sugiere que los megacheiras eran animales activos que podían nadar mediante movimientos ondulatorios o batidos coordinados de sus extremidades. La morfología del telson, el segmento terminal del cuerpo, es variable entre los distintos géneros, lo que indica una diversidad funcional dentro del grupo. Se ha sugerido que las extremidades birrámeas de algunos megacheiras presentan éxitos, estructuras que podrían haber tenido funciones sensoriales o respiratorias adicionales.

Dentro de Megacheira se reconocen varias subdivisiones importantes. Una de ellas es Jianfengiidae, que incluye géneros como Fortiforceps, Jianfengia, Sklerolibyon y posiblemente Parapeytoia. Estos organismos se conocen principalmente del Cámbrico temprano de China y se caracterizan por poseer más de 20 segmentos corporales. Por otro lado, el grupo Cheiromorpha, que contiene géneros como Yohoia, Haikoucaris y la familia Leanchoiliidae, está bien documentado en el Cámbrico temprano y medio de América del Norte, China y Australia. Los miembros de Cheiromorpha se distinguen de Jianfengiidae por tener un menor número de segmentos corporales, típicamente entre 11 y 13. La monofilia de Megacheira, es decir, la idea de que todos los megacheiras forman un grupo natural derivado de un ancestro común exclusivo, es incierta. Algunos estudios han recuperado al grupo como parafilético, lo que significa que podría incluir organismos que no comparten un ancestro común inmediato o que excluye algunos descendientes de ese ancestro. El megacheiran inequívoco más reciente es Lomankus, un leanchoílido del Ordovícico superior de América del Norte, lo que indica que el grupo persistió durante un largo período antes de desaparecer.

Parapeytoia, del Cámbrico de China, fue inicialmente malinterpretado como un radiodonte debido a la presencia de grandes apéndices frontales. Sin embargo, estudios posteriores sugirieron que podría ser un miembro de Megacheira, aunque esta interpretación sigue siendo debatida. Otros posibles megacheiras incluyen Enalikter, descrito a partir de fósiles del Silúrico del Reino Unido, y Bundenbachiellus, del Devónico temprano de Alemania. Ambos presentan grandes apéndices cefálicos similares a los de los megacheiras, pero su relación con el grupo ha sido cuestionada debido a la homología incierta de sus apéndices. También se ha sugerido que Kootenichela podría ser una quimera formada por partes de varios taxones de artrópodos, lo que complica aún más su clasificación. La inclusión previa de algunos géneros “bivalvos”, como Forfexicaris, Ovalicephalus y Occacaris, dentro de Megacheira fue cuestionada por investigaciones posteriores que demostraron que sus características no eran compatibles con las del grupo. Incluso Oelandocaris, un taxón del Cámbrico tardío considerado típicamente un pariente de los crustáceos, ha sido sugerido en algunos estudios como un posible megacheiran, aunque esta interpretación también es controvertida.

La posición evolutiva de los megacheiras dentro del árbol de los artrópodos es uno de los aspectos más debatidos. Una hipótesis sugiere que los megacheiras son quelicerados del grupo madre, es decir, miembros de un linaje ancestral que dio origen a los quelicerados modernos, un grupo que incluye a los arácnidos, las arañas marinas y los cangrejos herradura, entre otros. Esta hipótesis se basa en la similitud morfológica entre los grandes apéndices de los megacheiras y los quelíceros de los quelicerados modernos, así como en la neuroanatomía y en la presencia de un labrum reducido que se asemeja al de los quelicerados actuales. Los defensores de esta hipótesis argumentan que los quelíceros y los grandes apéndices son estructuras homólogas, es decir, derivadas de un mismo apéndice ancestral.

Otros estudios, sin embargo, sugieren que los megacheiras son artrópodos del grupo troncal, basándose en la idea de que los grandes apéndices son homólogos a los apéndices frontales de artrópodos del grupo troncal como Isoxys y los radiodontes. Esta interpretación es controvertida, ya que otros autores han propuesto que los apéndices frontales de los radiodontes son homólogos al labrum de los artrópodos modernos, lo que complica la comparación. Además, algunos estudios basados en la anatomía del cerebro y del sistema nervioso han sugerido que, mientras algunos megacheiras podrían ser quelicerados del tallo, otros podrían ser mandibulados del tallo, lo que implica que el grupo podría no ser monofilético y que sus miembros podrían representar distintas ramas tempranas dentro de la evolución de los artrópodos.