Một con cá voi sát thủ điển hình luôn có màu đen trên lưng, đốm trắng ở ngực và sườn bên, và 1 mảng đốm màu trắng nằm trên, đằng sau đuôi mắt. Những con non mới sinh có màu vàng hoặc cam nhạt, khi lớn sẽ dần dần chuyển sang màu trắng. Nó có cơ thể nặng nhưng mạnh mẽ,[39] với 1 vây lưng lớn cao đến 2 m. Vùng đằng sau vây tay có màu xám tối chạy dài đến lưng. Lưng cá voi sát thủ Nam Cực có màu trắng đến xám nhạt.

Cá voi sát thủ trưởng thành rất khác biệt và không thể lẫn với bất kì sinh vật biển nào.[40] Khi quan sát từ xa, những con chưa trưởng thành có thể bị nhầm lẫn với loài thuộc bộ cá voi, như cá ông chuông hay cá heo Risso.[41] Răng cá heo voi rất khỏe và được bọc men răng, bộ hàm của chúng là bộ máy có khả năng kẹp mạnh mẽ, những chiếc răng hàm trên lấp đầy chỗ trống giữa các răng hàm dưới khi khép miệng. Những chiếc răng cửa có xu hướng nghiêng nhẹ về phía trước và bên ngoài, do đó cho phép nó chịu được động tác giật mạnh từ con mồi trong khi các răng giữa và răng hàm giữ chắc con mồi tại chỗ.[42]

Cá voi sát thủ là thành viên lớn nhất hiện còn tồn tại của họ cá heo. Con đực thông thường dài từ 6–8 m, nặng hơn 6 tấn (khoảng 5,9-6,5 tấn). Con cái nhỏ hơn, thường dài 5–7 m, nặng khoảng 3-4 tấn.[43] Con đực lớn nhất được ghi nhận có chiều dài 9,8 m, nặng hơn 10 tấn; trong khi con cái lớn nhất là 8,5 m, nặng 7,5 tấn.[44] Con non mới sinh nặng khoảng 180 kg, dài khoảng 2,4 m.[45][45] Chúng là loài động vật biển có vú di chuyển nhanh nhất, tốc độ có thể đạt tới 56 km/h.[46] Bộ xương cá voi sát thủ cho thấy chúng có đặc điểm cấu trúc điển hình của Họ cá heo đại dương, nhưng mạnh mẽ hơn.[47] Lớp da của nó không giống như nhiều loài cá heo khác, mang đặc trưng của lớp da phát triển tốt với mạng lưới dày đặc của sợi protein collagen và sợi cơ bắp.[48]