Cá voi sát thủ đã được tìm thấy ở tất cả các đại dương và hầu hết các biển. Bởi phạm vi sống rộng lớn của chúng, số lượng, mật độ, đánh giá phân bố của chúng là rất khó, nhưng rõ ràng chúng thích ở những vùng nước vĩ độ cao và tầng nước trên cùng.[52]

Hệ thống khảo sát cho thấy mật độ cao nhất của cá heo voi (>0,4 cá thể/100 km ²) ở vùng biển đông bắc Đại Tây Dương xung quanh bờ biển Na Uy, ở phía bắc Thái Bình Dương dọc theo quần đảo Aleut, Vịnh Alaska và ở vùng Nam Đại Dương nằm ở xa Châu Nam Cực.[53]