El ornitolestes podía llegar a medir poco más de 2 metros de largo y 0,80 de alto, con un peso estimado de 13 kilogramos. La cabeza del Ornitholestes es relativamente pequeña. El cuello era delgado y flexible y permitía que la cabeza se moviera en todas las direcciones para atrapar criaturas en movimiento.
Los dientes aserrados de Ornitholestes lo identifican claramente como un carnívoro, debió haber comido aves contemporáneas y pequeños mamíferos, basado en la "aprensión rápida y poderosa de ágiles y delicadas presas" sugerida por la forma de la mano. También pudo haber sido un carroñero oportunista.
Sus largas patas traseras le permitían alcanzar gran velocidad y se equilibraba con una cola larga en forma de látigo.
El ornitolestes vivió a finales del período Jurásico, hace aproximadamente 145 millones de años, en el Titoniano, en lo que hoy es Norteamérica.