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虎鲸是海豚科中体型最大的一种。成年雄性平均长度为8米，最大记录是9.75米，雌性体重3.8吨，雄性体重5.5吨。雌性平均长度为7米，最大长度为8.5米。身体大小、鳍肢大小和背鳍高度有明显的性二型。雌性的平均体重和体重略小于雄性。雌性最大体长达7.70米，雄性体长达9米。1头体长6.70米的雌性重3.8吨，而1头体长6.75米的雄性重5.5吨。雄性成体的背鳍直立，高可达1.0-1.8米，雌性的背鳍明显地呈镰刀形，高不及0.7米。该鳍弯曲到右侧或左侧。
成体头骨的髁基长可达1000毫米。在眶前凹前方过两前颌骨的宽小于吻突宽。两翼骨远隔开。颞窝大。下颌骨相对较短。具有不明显的喙。椭圆形的鳍肢位于体全长的前1\/4处。雄性的鳍肢长可达体全长的20%，雌性的达11%-13%。尾叶宽可超过体全长的1\/5。
虎鲸体形呈纺锤形，表面光滑，皮肤下面有一层很厚的脂肪用来保存身体的热量。身体上的颜色黑白分明，背部为漆黑色，在鳍的后面有一个马鞍形的灰白色斑，两眼的后面各有一块梭形的白斑，腹面大部分为雪白的颜色。下颌及从下颌前端到尿殖区的体腹面白色。有1个白色的叶状斑从尿殖区向上伸到背鳍后的体侧。尾叶的腹面白色或浅灰色，可能具黑色边缘。在每侧眼的后上方各有1个白色椭圆形斑。鞍斑在年幼时不明显，性成熟后更显着。
头部呈圆锥状，没有突出的吻部，鼻孔在头顶的右侧，有开关自如的活瓣，当浮到水面上时，就打开活瓣呼吸，喷出一片泡沫状的气雾，遇到海面上的冷空气就变成了一根水柱。前肢变为一对鳍，很发达，后肢退化消失。高耸于背部中央的强大的三角形背鳍，十分显眼，既是进攻的武器，又可以起到舵的作用。嘴很大，上下颌上共有40-50枚圆锥形的大牙齿，其横切面呈椭圆形，齿尖向内和向后。在一些较老的个体，齿常被磨蚀或溃烂损坏。椎式：c7，t11-13，L10-12，ca20-24=50-54。
虎鲸的生境为极地和温带海域为主。广泛分布于全世界的海域日本北海、冰岛，对于水温、深度等因素似乎没有明显的限制。通常更喜欢20-60米的深度，也可以沿着海岸线探访浅水区或潜入300米寻找食物。它们在高纬度地区有相当高的栖息密度，特别是在猎物充足的海域。它们的移动情形普遍与追踪猎物或增加捕食率有关，时间通常在鱼类产卵季与海豹的生产期。到了夏天，大西洋中大多数的虎鲸都栖息于浮冰边缘或有浮冰的水道，以须鲸、企鹅、海豚、海豹等为食。它们会迁徙至何处、会移动多远，仍未有定论。部分虎鲸会终年停留于南极海域，而在北极的虎鲸则很少接近浮冰。据美国华盛顿州与英属哥伦比亚的虎鲸研究者指出，当地有定居型与过境型两种型态的虎鲸群，当地终年皆可发现此二种群体。部分个体有非常大的活动范围，由各地的照片辨识结果发现，有些虎鲸的活动范围自阿拉斯加一直到美国南方的加州。
虎鲸是所有鲸类中最国际化的，可能是仅次于人类的第二大范围的哺乳动物。它们几乎可以在任何海洋栖息地中发现，但最常见于海洋生产力高的冷水地区，尤其是在较高的纬度和近岸。目击范围从冲浪区到公海，水温或深度没有明显限制。分布范围扩展到许多半封闭的海域，例如地中海、鄂霍次克海、加利福尼亚湾、墨西哥湾、红海和波斯湾。
尽管虎鲸在世界范围内都有发现，但据报道，热带地区的密度比北极和南极的最高纬度低了1-2个数量级。在大陆边缘，虎鲸更为普遍。但是，这种一般模式存在一些差异，似乎与海洋生产力有关。在温暖的西部边界洋流（如墨西哥湾流或黑潮洋流）中，虎鲸似乎不如在生产力更高的东部边界洋流（如加州洋流）中普遍。但是，它们在千岛寒流和福克兰洋流等冷水西部边界洋流中也很常见。
高纬度虎鲸的长途迁徙已有记录。马修斯等在2011年用卫星跟踪了一头虎鲸，从加拿大东部北极圈进入北大西洋中部5400公里（纬度38度）。2012年从德班和皮特曼追踪虎鲸从南极半岛到巴西南部，然后回溯——直达约9，400公里的直达往返。皮特曼等人在2012年跟踪了从罗斯海到新西兰北部再到新西兰的以鱼类为食的生态虎鲸的往返行程，航程超过11，000公里，覆盖了纬度48度。许多南极虎鲸似乎是高度透明的。在南极，一些生态型虎鲸很容易进入浮冰区域寻找猎物，而另一些仅在露天环境中捕食。某些地区的虎鲸季节性聚集在沿海海域觅食并偶尔进入河口。
虎鲸具有高度的社会性和复杂的社会结构。喜欢群居的生活，有2-3只的小群，也有40-50只的大群，甚至有报道称一个族群里有数百个个体，但这只是一组较小的族群之间的暂时联系。族群中的个体一般是相关个体的多代，由约20%的成熟雄性、20%的幼鲸、60%的雌性和未成熟雄性组成。虎鲸从母群中的扩散有限，幼鲸总是母群的一部分。在族群中的个体在彼此100米范围内游泳并协调它们的活动。它们可能共享猎物，很少离开族群超过几个小时。
虎鲸通过学徒教导族群成员。打猎和养育后代是教给年轻鲸鱼的技能之一。它们每天总有2-3个小时静静地呆在水的表层，因为肺部充满了足够的空气，所以能够安然地漂浮在海面上，露出巨大的背鳍。群体成员间的胸鳍经常保持接触，显得亲热和团结。如果群体中有成员受伤，或者发生意外失去了知觉，其它成员就会前来帮助，用身体或头部连顶带托，使其能够继续漂浮在海面上，就是在睡觉时也扎成一堆，这是为了互相照应，并保持一定程度的清醒。它们在一起旅行、用食，以种群为社会组织，在广大的家庭中休息，互相依靠着生存长大。
