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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。
雌性虎鲸在繁殖后代上投入了大量精力。它们的妊娠期将近18个月，分娩和哺乳期12个月。在这段时间里，母亲们教它们的仔鲸去狩猎，并将其后代领入社交网络中。由于这些动物不是一夫一妻制，因此可以认为父亲交配后不参与养育。当仔鲸出生在群体中时，它依靠其母亲来获得营养和支持。独立后，仔鲸仍留在它们出生的族群中。在出生后的1-2年内，幼仔在饥饿或者呼唤雌兽时，只能发出粗厉的声音。以后随着年龄的增长逐渐模仿成体的声音，改进和丰富自己的叫声，但由于虎鲸的语言复杂而多变，幼仔要完全掌握成体的“语言”，至少需要花上5年多的时间。平均寿命估计达80-90年。雄性约在15龄达性成熟，平均寿命约29年，最大寿命约50-60年。
虎鲸族群似乎是由许多亚族群组成，各自适应于其栖息环境，由此点看来，虎鲸与狼群非常相似。部分学者认为，不同族群的虎鲸之间在形态、基因、生态、与习性上皆存在差异，似乎可区分出不同亚种甚至是新物种。
美国研究人员在2010年的《基因组研究》杂志上报告说，他们对虎鲸线粒体的脱氧核糖核酸测序后发现了至少3个新的虎鲸物种，这也表明全球海洋中存在不止一种虎鲸。
在新研究中，研究人员通过“高度平行测序技术”对139只虎鲸线粒体的脱氧核糖核酸进行了测序。这批虎鲸来自北大西洋、北太平洋以及南极大陆附近海域。研究人员最终发现，在南极海域生活的两种分别主要以鱼和海豹为食的虎鲸可能属于新物种，此外，北太平洋地区也存在新的虎鲸种群。
领导这项研究的美国国家海洋和大气管理局遗传学家菲利普·莫林表示，与其他鲸类一样，虎鲸体内的线粒体也很少随着时间的推移发生变化，因此不查看整个基因组很难发现新进化的虎鲸物种。但利用“高度平行测序技术”可以通过测量来自世界各地的虎鲸组织样本完成对虎鲸线粒体的基因组测序，从而分辨出新物种。
