ウルトラマンの地球上での活動時間は設定上は3分間であり、その限界は胸のカラータイマーによって示される。変身してから2分10秒経つと、カラータイマーの光が青から赤に変わり[14]、警告音とともに点滅する。さらにエネルギーが少なくなると音が甲高くなり、音と点滅の速度が上がる。エネルギーを使い果たした時は、ナレーションでは「二度と再び立ち上る力を失ってしまう」と説明されるが、絶命するのか、後のウルトラ戦士のように消滅するだけなのかは、描かれていない。劇中でも具体的な制限時間は述べられていないが、第7話でアントラーとの戦いの終盤、「あと30秒だ」というイデ隊員のセリフがある。「3分間」がナレーションで明言されるのは『帰ってきたウルトラマン』の第1話においてである。
当初のデザインではカラータイマーは存在しておらず、カラータイマーと変身時間の制限は、撮影費用のかかる特撮部分の経費削減のため、およびウルトラマンが完全無欠のヒーローでありすぎると話に面白みが欠けるので、子どもにも判りやすい弱点を作ろうということで導入されたといわれている。カラータイマーの点滅については、当時主流であった白黒テレビを考慮しての面が大きい。
カラータイマーはデザイン上の要請とは無関係に考案されたものであり、デザイン担当の成田亨はこれを嫌い、自身が作成したウルトラマンの絵画や塑像にはカラータイマーをつけていない事が多い（国道4号線に設置された青森県立美術館の案内看板に使用されているイラストにはカラータイマーを描いている）。また、ウルトラマンの変身・巨大化時の右手を宙空に突き上げたポーズの映像ではカラータイマーがついていないように見える。しかし、劇中であまりにも印象的であったので、ウルトラマンに不可欠なデザイン上の特徴として以後のウルトラシリーズに継承されるのみならず、他の類似作品にまで大きな影響を与えた。
なぜ制限が3分間であるかについては、円谷プロの満田かずほ監督によれば、30分番組の1割に当たる3分間という事とともに、当時の時代背景が大きく影響しており、ボクシングにおける1ラウンドの試合時間や、チキンラーメンの調理における待ち時間、長嶋茂雄の背番号などからヒントを得たとしている。
劇中での「ウルトラマン」の名称は、第1話でハヤタに名づけられ（乗移った直後なので、ウルトラマン自らが名乗ったと解釈できる）、光の国での本名は明らかにされず、敵対宇宙人やゾフィーまでが、この呼称で彼を呼んでいる（ゾフィーは自ら名乗っている）。
制作上の経緯として、企画書段階で主人公は「ウルトラマン」ではなく当初は「ベムラー」、後に「レッドマン」と呼ばれていたが、最終的には前作『ウルトラQ』を引き継ぎ、「ウルトラマン」と命名された（ベムラーは放送第1話の怪獣の名称として流用される）。
ウルトラマンのデザインは、前作『ウルトラQ』でも怪獣や宇宙人のデザイン、セットの美術デザインを依頼された彫刻家の成田亨が担当した。デザインにまつわるエピソードや、造形の違いによるバリエーションの詳細については成田の項目を参照。
造形は目立つところで2度モデルチェンジが行われており、一般にはAタイプ、Bタイプ、Cタイプと呼ばれて区別されている。マスクと共にスーツのデザインも変更されており、特にBタイプ以降はそれまでに比べて胸部がボリュームアップされ筋肉質の体型となっている。実際には撮影に伴う劣化などのために何回かマイナーチェンジがおこなわれ、3タイプだけでは区切れない細部の変更が認められる。
手袋には手術用の薄手のゴム素材のものが用いられ、ブーツとスーツの継ぎ目はやはりゴム素材で巻かれ、ともに装着後スーツと同色に塗装することで、視聴者に「人が着ぐるみを着て演じている」印象を薄める処理がなされている。
ウルトラマンのスーツはゴム素材を使っているため、経年劣化による傷みが激しく、数年以上完全な形で保存することができない。そのため、後のウルトラシリーズの各番組や映画、またイベントや展示、CM撮影に使用されるスーツは、数年毎に新調されたものが使われている。作品の製作が終了した後もこうして多くのスーツが作られ、またこれらは基本的に手造りであるため、細部の異なったさまざまなバリエーションのスーツが存在することになった。その多くはCタイプを基本にしていると思われるが、スーツは中に入る演技者の体型に合わせて製作されるため、身長の違いによるバリエーションが最も大きい。
ウルトラマンは原則として地球人とは会話せず、「シュワッチ」あるいは「シュワッ」などと表記される多種の掛け声のみを発している（声は中曽根雅夫が担当した）。宇宙人同士、あるいはハヤタや子どもたちと会話している描写があったり、第10話では笑ったりしているが、どれもテレパシーのような音声によらない意思疎通と思われる。このためウルトラマンの心理状態はパントマイムで表現されている。
シリーズ化によって、各作品ごとに異なるデザインの巨大ヒーローが登場したが、これらはすべて「ウルトラマン」または「ウルトラ戦士」と総称される。
ウルトラセブンやユリアンなど一部の例外を除いて、胸部にエネルギーの消耗度合いを示す発光器（一般にカラータイマーと呼ばれるが、名称・デザインはシリーズにより異なる）をもつ点で共通する。体色は銀を基調とするものと、赤を基調とするものの2系統が主流で、1980年代後半頃までは（主に出版物において）前者をシルバー族、後者をレッド族と呼称していたが、1990年代以降は、どちらの系統にも入れにくい新たなデザインも登場している。
一般には彼らは、M78星雲あるいは光の国と呼ばれる特定の星の出身とされるが、ウルトラマンレオ等のM78星雲の出身でないものも一般にウルトラマンと呼ばれ、同系統の種族として紹介される。