サヘラントロプス・チャデンシスが世界中の古人類学者に衝撃を与えた最大の要因は、その頭骨形態の特異なモザイク性（原始的特徴と派生的特徴の混在）にあります。
まず原始的な特徴として、サヘラントロプスの脳容積の大きさは約320〜380cc（立方センチメートル）と計測されています。これは現生のチンパンジー（平均約350〜400cc）とほぼ同等の容積であり、現生人類（ホモ・サピエンス）の約1350ccと比較すると4分の1程度に過ぎません。さらに、眼窩（目のくぼみ）の上には、現代のゴリラやチンパンジーを彷彿とさせる極めて分厚く頑丈な「眼窩上隆起（眉びさし）」が発達していました。
一方で、人類としての決定的な派生的特徴（進化的な進化形態）も明確に備えていました。特筆すべきは以下の3点です。
- 顔面の平坦性：非ヒト科の類人猿は口元が前方に大きく突き出す「前突口蓋」を持ちますが、トゥーマイの顔面は突出が著しく弱く、比較的平坦な構造をしています。
- 犬歯の縮小と摩耗形態：類人猿のオスの象徴である大きく鋭い犬歯が小型化しており、上下の歯が擦れ合う「噛み合わせの摩耗パターン（咬耗）」が、チンパンジー型ではなく、咀嚼時に水平にすり減る人類型を示していました。
- 歯のエナメル質の厚さ：類人猿よりもエナメル質が厚く、硬い植物の種子や根茎など、多様な食物を噛み砕いていた食生活の適応が観察されます。
犬歯の縮小は、集団内におけるオス同士の激しい牙剥き威嚇や牙を用いた闘争が減少し、社会的な協力関係や複雄複雌の群れ構造が形成され始めていた心理生態学的変化を強く示唆しています。
