Per stimare le sue dimensioni, le ossa del cranio di Oxalaia sono state confrontate con quelle del suo parente stretto, Spinosaurus. Oxalaia era probabilmente lungo da 12 a 14 metri (da 39 a 46 piedi), e probabilmente pesava da 5 a 7 tonnellate (da 4,9 a 6,9 tonnellate lunghe; da 5,5 a 7,7 tonnellate corte). Questo lo rende il più grande dinosauro carnivoro conosciuto del Brasile.
La punta del muso di Oxalaia, chiamata premaxilla, era lunga 201 millimetri (7,9 pollici). Il cranio completo di Oxalaia era probabilmente lungo 1,35 metri (4 piedi e 5 pollici). Questo è più corto del cranio di Spinosaurus, che era lungo 1,75 metri (69 pollici).
La parte anteriore della mascella superiore di Oxalaia era a forma di cucchiaio, ovvero più grande all'estremità anteriore che a quella posteriore. La parte inferiore della punta del muso era curvata verso l'interno. Questa forma si sarebbe unita alla mascella inferiore, o mandibola, che era anch'essa a forma di cucchiaio. Il tetto della bocca di Oxalaia aveva una superficie ossea molto complessa, chiamata palato secondario. Questa struttura rendeva la mascella superiore più robusta, in modo che si piegasse meno durante l'alimentazione. Il muso fossile conserva fori ampi e profondi. Questi probabilmente contenevano vasi sanguigni e nervi.
Il muso di Oxalaia aveva sette prese per i denti su ogni lato. Aveva un dente in ogni cavità, e c'erano due denti sotto per sostituirlo se cadeva. Questa caratteristica è comune negli squali, ma non nella maggior parte dei dinosauri teropodi. I denti di Oxalaia erano anche ovali in sezione trasversale, invece che appiattiti un po' lateralmente come nella maggior parte dei teropodi.