Cá voi sát thủ là loài động vật ăn thịt đầu bảng, tức là bản thân chúng không có kẻ thù ngoài tự nhiên. Chúng có thể ăn những con cá nhỏ, nhưng cũng có thể ăn những con cá voi con và cả loài cá mập trắng lớn, vốn là loài cá hung dữ nhất đại dương. Bằng cách săn mồi theo bầy (thường là cả một gia đình gồm 3-5 con hoặc thậm chí là hai gia đình cùng kết hợp), chúng tách con cá voi con ra khỏi cá voi mẹ và liên tục dùng các cú húc đầu khủng khiếp tấn công cá voi con cho đến khi cá voi con tử vong. Cá heo voi có đặc điểm là được trang bị 50 cái răng sắc nhọn[cần dẫn nguồn], tuy nhiên, chúng không đủ để cắn được lớp mỡ và da dày của cá voi con, vì vậy chúng ăn phần dễ bị tổn thương nhất của cá voi, đó là cái lưỡi giàu protein[cần dẫn nguồn], cá mập trắng lớn cũng chịu một kết cục tương tự. Trong cuộc chiến săn mồi, các con cá voi cái lại là những cá thể ở giữa vòng vây và làm nhiệm vụ vất vả hơn những con cá voi đực. Cá voi đực có cái vây dài và nhọn hơn cá voi cái.[54]