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虎鲸每天可以游到160公里。时常会有跃身击浪、浮窥等行为，或是以尾鳍或胸鳍拍击水面。在海湾的浅水地带，它还喜欢用尾巴上的缺刻去钩拉海藻，发出“呼呼”的声音，不久，浑身就披满了半透明的海草。虎鲸的泳速最快可达时速55公里，可闭气17分钟左右。当周遭空气凉爽时，通常可看见它们低矮而呈树枝状的喷气。虎鲸的水柱是倾斜的，又粗又矮，不像须鲸一样，又细又高。它们对船只的反应多样，冷漠忽视或是充满好奇心都有可能。偶尔会集体搁浅，群体有时会被困在潮池或海湾中。在北极与南极海域，因为风吹而快速产生的浮冰对虎鲸而言是一大麻烦，有时会因此迫使它们停留于水面狭窄的小水域里相当长的时间。
虎鲸使用3种发声方式：哨声，离散的呼叫和点击声。语音用于通信和导航。在各群之间进行联系时，它们使用离散的呼叫和口哨声。每个小群都有一个离散的方言，听起来与其他小群略有不同。该方言在族群中可以保持多达六代不变。单击声似乎仅用于回声定位。虎鲸确实具有良好的视力，但是在黑暗的水中，它们的视力对捕获猎物或航行没有帮助。与其他齿鲸一样，虎鲸使用声纳感知其水生环境。虎鲸不仅能够发射超声波，通过回声去寻找鱼群，还能够通过超声波判断鱼群的大小和游泳的方向。这种能力，对生活在海洋里的食肉动物来说是十分重要的，海水下面十分黑暗，很难在这种环境里看清远处的捕食目标。
鲸鱼的耳朵是眼睛后面非常小的开口，没有外部瓣。虎鲸听到了哨声，然后点击了下颌中的听觉泡。声波通过颌骨进入，然后进入耳骨复合体。在这种听觉泡中，有一些骨头，就像在人耳中发现的骨头一样。它们通过这些骨骼传播，然后通过听觉神经进入大脑。
有时虎鲸会采用团体的方式打猎，它们利用从隆额（海豚科用来制造回音定位的部位，会将声音集中成一束）发出的超音波互相沟通和联系，并策划战术。它们也会合力将鱼群集中成一个大球，然后轮流钻入取食。猎捕海狗时，虎鲸会在满潮前观察直达海滩的裂缝沟渠，当满潮时沟渠会灌满水，并在沙滩上形成一片浅水域，此时虎鲸会沿着沟渠冲上海滩，并故意让自己搁浅，以趁机捕食海狗或海狮，有时一只虎鲸会露出大背鳍吸引海狗群的注意，这时另一只虎鲸就会悄悄的靠近捕杀海狗，当猎物脱逃时，另一只虎鲸就会冲上去接替捕食。类似地，虎鲸有时会将腹部朝上，一动不动地漂浮在海面上，很像一具死尸，而当乌贼、海鸟、海兽等接近它的时候，就突然翻过身来，张开大嘴把它们吃掉，有时也会用尾巴将猎物击昏，如海狮等，再进行捕食。
位于美国华盛顿州与英属哥伦比亚的定居型虎鲸“居留鲸”，其基本社群单位为小型母系群体，一般由2-9头血缘关系相近的虎鲸所组成，此母系群体会长期维持稳固，所有成员似乎会共同分担养育工作。几个这样的群体会共同组成一个小群（通常用以描述一群彼此间有社交行为联系的鲸目动物），典型的小群通常包含成年、未成年的雌雄虎鲸与仔鲸，多半由最年长的雌鲸居于领导地位，而待在小群里的雄鲸通常是该雌鲸的后代。甚至有的雄性虎鲸长到9米还在小群中生活。
虎鲸的社会形态是母系，交配对象的选择比较复杂，不是由雄性的力量决定一切：例如鲸群的族长有时能活到80岁，在晚年也有交配的例子，她们选择交配的对象一般是鲸群内部年长的雄性。雌鲸选择对象的标准科学家并不清楚，很少观察到交配的现场，只知有母亲，不知父亲在哪。
鲸群内没有父子关系和父女关系，雄性的责任是出去寻找食物，然后引导鲸群集体猎杀，分工明确，没有地位的高低；而母女、母子关系则非常稳定，是一辈子的关系，一般不会离群。出现孤鲸的原因一般是受伤或迷路。当族群过大时，会“分家”，产生一个新的族群。
虎鲸平均每天吃45千克的食物，实际上所能吃的远远超过此。它们会吞下整个小的猎物，但在食用前往往会撕碎更大的猎物。食物包括鱼类、其他鲸类、鳍足类、海獭类、鸟类、爬行类和头足类。在南极采集的虎鲸的362个胃中，217个含有鱼类，75个含有小须鲸的残余，35个含有鳍足类，35个含有头足类。
虎鲸的大脑非常发达同时身体拥有强大力量，凭借这些优势，这些高智商动物能够追赶和捕杀海洋中的很多顶级捕食者。它们经常成群结队地狩猎，并使用协调的社会行为和交流来捕猎比自己更大的猎物，例如大鲸鱼。一些虎鲸家族成员的菜单上至少列出了9种鲨鱼美味，其中就包括令很多动物闻风丧胆的大白鲨和灰鲭鲨。
虎鲸为多配性的。在西北太平洋，多数在5-7月间进行交配。在东北太平洋，它们大多在10月至次年3月间产仔。成年雄性体长5.2-6.2米，成年雌性体长4.6-5.4米。雌性在11-16年间生产第一个可存活的仔鲸。
虎鲸全年都可以交配，每当雌性动物进入发情期，虎鲸就可以繁殖，每年可能多次发生。但是，大多数繁殖都发生在夏天，虎鲸通常在秋天出生。雌性在6-10岁之间达到性成熟。雄性的性成熟年龄在10-13岁之间。雌虎鲸开始交配14-15岁。有记录的最年轻的母鲸是11岁。雌性每6-10年产一头仔鲸，它们在40岁左右停止繁殖。一般是25年内会产有4-6个后代。虎鲸一次只产一头仔鲸，偶尔也有双胞胎。断奶前，新生的仔鲸体长2-2.4米，出生时体重约136千克。在北太平洋记录的最小的新生仔鲸长2.28米仔鲸要哺乳约一年。一些研究表明，几乎所有新生仔鲸的一半都在它们出生的第一个生日之前死亡。
