Über die Physiologie der Romulaner ist bis 2366 nicht viel bekannt. Erst 2266 wird der Föderation ihre Verwandschaft mit den Vulkaniern bewusst. Als bei Sternzeit 43349.2 ein schwer verletzter Romulaner auf dem Planeten Galorndon Core gefunden wird versucht man ihn zunächst wie einen Vulkanier zu behandeln. Es stellt sich jedoch heraus, dass es erhebliche Unterschiede zwischen Vulkaniern und Romulanern gibt. (TOS: Spock unter Verdacht; TNG: Auf schmalem Grat)

Die Romulaner sind mit den Vulkaniern verwandt und zählen damit nicht nur zu den humanoiden sondern auch zu den vulkanoiden Spezies. Sie besitzen wie die Vulkanier spitz zulaufende Ohren und ihr Blut ist ebenfalls Grün (Star Trek: Treffen der Generationen), da ihre Erythrozyten Kupferoxid statt Eisenoxid wie bei den Menschen beinhalten. Zusätzlich kennzeichnet die meisten, aber nicht alle Romulaner ein knöcherner „Stirnkeil“.

Die Romulaner haben außerdem genau wie die Vulkanier meist dunkle Haare (Eine Ausnahme ist die halbmenschliche Sela) und eine hohe Lebenserwartung. Ob sie eventuell ebenfalls über gewisse telepathische Fähigkeiten verfügen, ist unbekannt.

Ihre Gehirne unterscheiden sich jedoch von denen der Vulkanier genug, um bei den Vulkaniern funktionierende Behandlungsmethoden wirkungslos werden zu lassen. Außerdem unterscheiden sich beide bereits in dem Maß, dass der romulanische Körper eine Blutspende von einem Vulkanier nicht mehr annimmt. (TNG: Auf schmalem Grat)

Sie sind genetisch sowohl zu den Menschen als auch zu den Klingonen kompatibel,