Ba đến năm loại cá voi sát thủ có lẽ đủ khác biệt để có thể phân chia chúng thành các giống,[8] phân loài hay thậm chí là loài riêng biệt.[9] Báo cáo năm 2008 của IUCN: "Nguyên tắc phân loại của chi này cần được phải xem xét lại, có khả năng là O. orca sẽ bị chia thành các loài khác nhau hay ít nhất là phân loài trong vài năm tới".[10] Mặc dù những khác biệt lớn trong đặc điểm sinh thái học của các nhóm cá heo voi khác nhau là phức tạp nhưng chúng chỉ được đơn giản chia thành các loại khác nhau.[11] Trong thập niên 1970 và 1980, nghiên cứu bờ biển phía tây Canada và Hoa Kỳ đã chỉ ra ba loại cá heo voi sau đây:

• Loại định cư: Đây là loại thường thấy nhất trong ba loại tại những vùng bờ biển Đông bắc Thái bình dương bao gồm cả Puget Sound. Thực đơn chủ yếu của chúng là cá, đôi khi là mực. Chúng sống trong các nhóm gia đình có liên kết chặt chẽ và phức tạp.[12] Đặc trưng của những con cái là tại đỉnh góc nhọn của vây lưng được bo tròn.[13] Chúng chỉ đến thường xuyên ở những khu vực nhất định. Tại bang British Columbia và tiểu bang Washington là nơi nghiên cứu nhiều về loài động vật biển có vú. Trong hơn 30 năm, các nhà nghiên cứu đã xác định và đặt tên cho hơn 300 con cá heo voi.[14]
• Loại di cư: Loại cá voi sát thủ này hầu như chỉ ăn các loài thú biển,[15][16] di chuyển theo từng nhóm từ 2 đến 6 cá thể, mối quan hệ gia đình cũng kém bền hơn "Loại định cư".[17] Âm phát ra của loại này ít biến thiên và kém phức tạp.[18] Đặc trưng của những con cái là vây lưng vát tam giác hơn và mũi vây lưng nhọn hơn so với "loại định cư"[13] Loại định cư có vùng da màu xám hoặc màu trắng xung quanh vây lưng thường chứa một số chấm màu đen trong đó, còn loại di cư thì tại vùng da đó thì có màu xám đồng nhất.[13] Loại di cư lang thang dọc khắp bờ biển. Một vài cá thể được tìm thấy ở cả Nam Alaska và California.[19]
• Loại xa bờ: Loại này được phát hiện năm 1988 ở vùng Đông Bắc Thái Bình Dương, khi một nhà khoa học nghiên cứu cá voi lưng gù đã quan sát thấy chúng ở vùng nước mở. Chúng sống ở ngoài khơi xa, thức ăn chủ yếu là các loài cá sống theo đàn,[20] cá mập[21][22] và rùa biển. Chúng thường bị bắt gặp ở vùng bờ biển phía Tây Đảo Vancouver, gần đảo Haida Gwaii. Loại này thường tập trung thành những nhóm khoảng 20-75 cá thể, có những nhóm lớn lên tới khoảng 200 cá thể.[23] Những hiểu biết về loại này hiện nay là rất hạn chế. Về mặt di truyền học, chúng khác biệt so với loại di cư và loại định cư. Kích cỡ của loại này nhỏ hơn, đặc trưng con cái của loại này là có đỉnh vây lưng tròn hơn loại định cư và loại di cư.[16]

Loại cá voi sát thủ di cư và loại định cư sống trong cùng một vùng nhưng luôn tránh nhau.[24][25][26] Cái tên di cư xuất phát từ niềm tin cho rằng chúng là những cá thể tự tách ra khỏi những đàn định cư lớn. Nhưng những nghiên cứu sau này chỉ ra rằng loại di cư không sinh ra từ những đàn định cư và ngược lại. Sự tiến hóa của hai loại này được cho rằng bắt đầu cách đây 2 triệu năm trước.[27] Phân tích gen hiện tại cũng cho thấy chúng ít ra cũng không có quan hệ giao phối lẫn nhau khoảng 10.000 năm.[28]

Các quần thể khác cũng chưa được nghiên cứu. Quần thể riêng rẽ ăn cá và động vật biển có vú đã được nhận diện tại xung quanh nước Anh.[29][30] Lối sống thể hiện chế độ ăn uống của chúng: Những con cá heo voi ăn cá tại Alaska[31] và Na Uy[32] không di trú, trong chúng tồn tại như 1 kết cấu xã hội. Trong khi những con cá heo voi ăn động vật biển có vú tại Argentina và Quần đảo Crozet có hành vi sống giống loại di cư hơn.[33]

Ba loại cá voi sát thủ đã được ghi nhận trong các nghiên cứu tại Nam Cực. 2 loài lùn có tên Orcinus nanus và Orcinus glacialis đã được mô tả bởi các nhà khoa học Xô Viết trong suốt thập niên 1980, nhưng hầu hết các nhà khoa học về động vật có vú dưới nước nghi ngờ về tình trạng của chúng, và khó để liên kết chúng với một trong những loại mô tả dưới đây:[9]

• Loại A: Được coi là loại cá voi sát thủ "điển hình". Có hình thể lớn, da đen và có những mảng đốm trắng. Mảng đốm trắng quanh mắt có kích cỡ trung bình. Sống tại những vùng nước thoáng, thức ăn chủ yếu là cá voi Minke.[9]
• Loại B: Nhỏ hơn loại A. Chúng có mảng đốm trắng quanh mắt lớn. Hầu hết thay vì những phần da trên cơ thể có màu đen chúng lại có màu xám vừa, có mảng màu xám tối gọi là "dorsal cape"[34] kéo dài từ trán đến sau vây lưng. Những mảng đốm trắng lại có màu vàng nhạt. Thức ăn chủ yếu là hải cẩu.[9]
• Loại C: Là loại nhỏ nhất, sống trong những nhóm lớn hơn những loại khác. Mảng đốm trắng ở mắt có xu hướng trúc xuống phía trước. Giống loại B, chúng có màu trắng và xám vừa, có dải "dorsal cape" màu xám tối và các đốm màu vàng nhạt. Chỉ quan sát thấy chúng săn loại cá tuyết Nam Cực.[9]
• Loại D: Được nhận dạng dựa trên các bức ảnh chụp được từ vụ mắc cạn hàng loạt năm 1955 tại New Zealand và sáu quan sát trên biển năm 2004. Nó có thể nhận biết dễ dàng qua đốm trắng rất nhỏ nằm cạnh mắt, có vây lưng ngắn hơn thông thường và đầu hơi phồng ra (giống cá voi hoa tiêu). Phạm vi khu vực xuất hiện của chúng khoảng vĩ độ 40°S và 60°S xung quanh vùng nước hạ nam cực. Mặc dù không có dữ liệu về chế độ ăn uống của chúng, nhưng được cho rằng thực đơn của chúng có bao gồm cá vì có các bức ảnh chụp được các đàn này bơi xung quanh lưới quét của các tàu đánh bắt cá răng Patagonia.[35][36]

Loại B và loại C sống gần vùng nước đóng băng, tảo silic có thể là nguyên nhân tác động đến sự xuất hiện màu đốm vàng ở cả hai loại.[9][37] Kiểm tra DNA ty thể chứng minh cho sự chia tách này mới chỉ diễn ra trong khoảng thời gian gần.[38]