Su cabeza, pequeña y estrecha, estaba equipada con dos ojos prominentes y un par de tentáculos flexibles, además de un sifón móvil que se proyectaba hacia delante. La agudeza visual de Nectocaris se ha comparado con la del moderno Nautilus si carecía de cristalino, o con la de los calamares si lo poseía. Esta capacidad visual sugiere que era un animal activo, capaz de detectar presas o carroña en un entorno marino complejo.

Internamente, Nectocaris contaba con una cámara longitudinal situada a lo largo de su eje de simetría, donde alojaba un par de branquias. Esta cavidad estaba cerrada por potentes músculos, visibles en los fósiles como bloques oscuros en ejemplares preservados lateralmente. Su fisiología indica que formaba parte del necton cámbrico, es decir, animales nadadores activos. Su papel ecológico probablemente era doble: depredador oportunista y carroñero, un nicho similar al de los cefalópodos modernos.

Aunque se han encontrado fósiles de Nectocaris en rocas de edades ligeramente diferentes —unos 20 millones de años de variación— en Canadá, China y Australia, no se observan diferencias significativas en tamaño o anatomía. Durante décadas se consideró que existían tres géneros distintos dentro de los llamados nectocáridos, pero estudios recientes han demostrado que Petalilium latus y Vetustovermis planus son probablemente sinónimos de Nectocaris pteryx. Actualmente se reconocen dos morfotipos: uno pequeño, de unos 2,5 cm, y otro cuatro veces mayor, de unos 10 cm, idénticos en estructura. La interpretación de esta diferencia de tamaño sigue siendo controvertida: podría tratarse de dimorfismo sexual, fases ontogenéticas o incluso dos especies distintas.

La peculiar forma del sifón de Nectocaris ha generado numerosas hipótesis. Una de ellas sugería que funcionaba como una probóscide reversible, pero los estudios detallados no apoyan esta idea. La interpretación más aceptada es que el sifón actuaba como un órgano de propulsión por chorro, permitiendo al animal desplazarse mediante un flujo continuo de agua dirigido hacia las branquias internas. Esta capacidad lo acercaría funcionalmente a los cefalópodos modernos, aunque su morfología carece de concha o estructuras mineralizadas.

La afinidad evolutiva de Nectocaris ha sido objeto de intensos debates. Durante décadas fue considerado un enigma sin resolver. La evidencia acumulada sugiere una relación con los cefalópodos, pero no existe consenso absoluto. La interpretación dominante lo considera un cefalópodo primigenio, con rasgos que recuerdan a los coleoideos modernos, aunque no se descarta que estas similitudes sean fruto de evolución convergente. Otros investigadores han propuesto que podría estar relacionado con los anomalocáridos y el grupo Dinocarida, dada la ausencia de concha y ciertos rasgos compartidos.

Charles Doolittle Walcott, descubridor del Burgess Shale, fotografió el fósil en la primera década del siglo XX, pero nunca lo estudió formalmente. No fue descrito hasta 1976 por Simon Conway Morris, quien, con un único ejemplar y sin contraparte, no pudo determinar su filiación taxonómica. El nombre Nectocaris —“camarón nadador”— refleja la confusión inicial: Morris lo interpretó como una criatura quimérica, con una cabeza semejante a la de un artrópodo y un cuerpo que recordaba a un cordado primitivo. Stephen Jay Gould lo describió incluso como poseedor de ojos pedunculados, reforzando la idea de un animal híbrido.

En 2010, Martin Smith y Jean-Bernard Caron analizaron 91 ejemplares de Nectocaris pteryx, lo que permitió reinterpretar su anatomía con mayor precisión. Concluyeron que se trataba de un cefalópodo temprano, con dos tentáculos en lugar de los múltiples brazos de los modernos, y que nadaba mediante dos grandes aletas laterales. Esta reinterpretación obligó a revisar profundamente las teorías sobre el origen de los cefalópodos, ya que Nectocaris carece de concha, lo que sugiere que los primeros cefalópodos pudieron haber sido animales blandos y no conchíferos, como se creía tradicionalmente.

Sin embargo, algunos especialistas sostienen que la afinidad cefalopódica no está demostrada y que los rasgos compartidos podrían ser convergentes. La ausencia de estructuras mineralizadas, la forma del sifón y ciertos detalles de la musculatura podrían situarlo más cerca de los anomalocáridos o de un linaje basal aún no reconocido. Para estos investigadores, Nectocaris sigue siendo un fósil problemático cuya posición filogenética permanece abierta.

A pesar de las controversias, Nectocaris pteryx es hoy uno de los organismos más fascinantes del Cámbrico. Su combinación de rasgos —tentáculos, sifón, aletas laterales, branquias internas, cuerpo blando y simetría bilateral clara— lo convierte en una pieza clave para comprender la evolución temprana de los animales nadadores y el origen de los grandes linajes marinos modernos.