虎鯨的社會形態是母系，交配物件的選擇比較複雜，不是由雄性的力量決定一切：例如鯨群的族長有時能活到80歲，在晚年也有交配的例子，她們選擇交配的物件一般是鯨群內部年長的雄性。雌鯨選擇物件的標準科學家並不清楚，很少觀察到交配的現場，只知有母親，不知父親在哪。

鯨群內沒有父子關係和父女關係，雄性的責任是出去尋找食物，然後引導鯨群集體獵殺，分工明確，沒有地位的高低；而母女、母子關係則非常穩定，是一輩子的關係，一般不會離群。出現孤鯨的原因一般是受傷或迷路。當族群過大時，會“分家”，產生一個新的族群。

虎鯨平均每天吃45千克的食物，實際上所能吃的遠遠超過此。它們會吞下整個小的獵物，但在食用前往往會撕碎更大的獵物。食物包括魚類、其他鯨類、鰭足類、海獺類、鳥類、爬行類和頭足類。在南極採集的虎鯨的362個胃中，217個含有魚類，75個含有小鬚鯨的殘餘，35個含有鰭足類，35個含有頭足類。

虎鯨的大腦非常發達同時身體擁有強大力量，憑藉這些優勢，這些高智商動物能夠追趕和捕殺海洋中的很多頂級捕食者。它們經常成群結隊地狩獵，並使用協調的社會行為和交流來捕獵比自己更大的獵物，例如大鯨魚。一些虎鯨家族成員的選單上至少列出了9種鯊魚美味，其中就包括令很多動物聞風喪膽的大白鯊和灰鯖鯊。

虎鯨為多配性的。在西北太平洋，多數在5-7月間進行交配。在東北太平洋，它們大多在10月至次年3月間產仔。成年雄性體長5.2-6.2米，成年雌性體長4.6-5.4米。雌性在11-16年間生產第一個可存活的仔鯨。

虎鯨全年都可以交配，每當雌性動物進入發情期，虎鯨就可以繁殖，每年可能多次發生。但是，大多數繁殖都發生在夏天，虎鯨通常在秋天出生。雌性在6-10歲之間達到性成熟。雄性的性成熟年齡在10-13歲之間。雌虎鯨開始交配14-15歲。有記錄的最年輕的母鯨是11歲。雌性每6-10年產一頭仔鯨，它們在40歲左右停止繁殖。一般是25年內會產有4-6個後代。虎鯨一次只產一頭仔鯨，偶爾也有雙胞胎。斷奶前，新生的仔鯨體長2-2.4米，出生時體重約136千克。在北太平洋記錄的最小的新生仔鯨長2.28米仔鯨要哺乳約一年。一些研究表明，幾乎所有新生仔鯨的一半都在它們出生的第一個生日之前死亡。

雌性虎鯨在繁殖後代上投入了大量精力。它們的妊娠期將近18個月，分娩和哺乳期12個月。在這段時間裡，母親們教它們的仔鯨去狩獵，並將其後代領入社交網路中。由於這些動物不是一夫一妻制，因此可以認為父親交配後不參與養育。當仔鯨出生在群體中時，它依靠其母親來獲得營養和支援。獨立後，仔鯨仍留在它們出生的族群中。在出生後的1-2年內，幼仔在飢餓或者呼喚雌獸時，只能發出粗厲的聲音。以後隨著年齡的增長逐漸模仿成體的聲音，改進和豐富自己的叫聲，但由於虎鯨的語言複雜而多變，幼仔要完全掌握成體的“語言”，至少需要花上5年多的時間。平均壽命估計達80-90年。雄性約在15齡達性成熟，平均壽命約29年，最大壽命約50-60年。

虎鯨族群似乎是由許多亞族群組成，各自適應於其棲息環境，由此點看來，虎鯨與狼群非常相似。部分學者認為，不同族群的虎鯨之間在形態、基因、生態、與習性上皆存在差異，似乎可區分出不同亞種甚至是新物種。

美國研究人員在2010年的《基因組研究》雜誌上報告說，他們對虎鯨線粒體的脫氧核糖核酸測序後發現了至少3個新的虎鯨物種，這也表明全球海洋中存在不止一種虎鯨。

在新研究中，研究人員透過“高度平行測序技術”對139只虎鯨線粒體的脫氧核糖核酸進行了測序。這批虎鯨來自北大西洋、北太平洋以及南極大陸附近海域。研究人員最終發現，在南極海域生活的兩種分別主要以魚和海豹為食的虎鯨可能屬於新物種，此外，北太平洋地區也存在新的虎鯨種群。

領導這項研究的美國國家海洋和大氣管理局遺傳學家菲利普·莫林表示，與其他鯨類一樣，虎鯨體內的線粒體也很少隨著時間的推移發生變化，因此不檢視整個基因組很難發現新進化的虎鯨物種。但利用“高度平行測序技術”可以透過測量來自世界各地的虎鯨組織樣本完成對虎鯨線粒體的基因組測序，從而分辨出新物種。

儘管虎鯨是通才，但至少某些亞種群（生態型和/或形態型）專門捕食特定型別的獵物。從加利福尼亞到阿拉斯加的ENP沿海水域的研究描述了虎鯨的三種不同生態型別，分別稱為居留鯨、過客鯨和近海鯨。儘管在生態上有所區別，但在色澤，外部形態，行為和聲學方面也存在差異。儘管有時範圍重疊，但三種生態型仍保持社會隔離（即沒有雜種）。 ENP居留鯨專吃是太平洋鮭魚，並且非常喜歡奇努克鮭魚。 ENP沿海水域中的過客鯨主要吃小鬚鯨，但也有機會捕食大型鯨魚，特別是幼鯨。挪威沿海的虎鯨專門吃鯡魚，以及直布羅陀海峽中藍鰭金槍魚。紐西蘭的一些虎鯨可能會選擇性地在洋流和其他海流中覓食，而在西澳大利亞州，虎鯨一年要捕食數十頭座頭鯨幼仔。在西澳大利亞州的南海岸外，至少季節性的，一群虎鯨以喙鯨為食。在南極，有五種描述的虎鯨生態型，每一種在食性上都不同，具有不同的棲息地和獵物偏好。一種專門在開闊水域中獵食小鬚鯨和海象，一種主要食用在浮冰上休息的海豹，一種經常捕食企鵝，但可能主要是食魚者，一種很少見的型別帽被認為是掠奪了巴塔哥尼亞人來自商業延繩釣的齒魚，最小的型別似乎完全是食魚者。

歷史上，虎鯨在日本、挪威、和前蘇聯曾是直接捕獵的物件。已沒有直接捕獵虎鯨的漁業。20世紀60年代水族館中虎鯨表演的興起，促使活捕虎鯨的漁業迅速發展。隨著虎鯨飼養下繁殖技術的發展，活捕的需求已經下降。虎鯨並沒有滅絕之虞，但人為獵捕可能已造成部分地區族群的減少。截止2017年，在南極估計有頭（2017年）虎鯨，在太平洋東部熱帶海域約有8500頭虎鯨，在阿拉斯加水域至少有850頭，日本外海可能達2000頭以上，而夏季在南極水域約有8000頭虎鯨分佈，分佈範圍內的其他地區可能在數百至千餘頭之間。當前在日本、印尼、格陵蘭、與西印度群島的捕鯨者仍持續捕捉虎鯨，雖然捕殺量少，但對當地族群卻可能會有相當大的影響。

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