Cá voi sát thủ được ghi nhận là loài duy nhất còn tồn tại của chi Orcinus. Một trong những loài đầu tiên được miêu tả bởi Carl Linnaeus trong cuốn Systema Naturae.[4] Conrad Gessner đã viết những mô tả khoa học đầu tiên về loài cá heo voi trong cuốn "Fish Book" năm 1558, dựa trên nghiên cứu từ xác của những con cá voi bị mắc cạn tại vịnh Greifswald.[5]

Cá voi sát thủ là một trong 35 loài trong Họ Cá heo đại dương, những loài mà đã khởi phát từ khoảng 11 triệu năm trước. Nòi giống cá heo voi có lẽ phân nhánh sớm ngay sau đó.[6] Mặc dù nó có điểm tương đồng về hình thái học với Cá hổ kình lùn (Feresa attenuata), Cá ông chuông (Pseudorca crassidens), Chi Cá voi hoa tiêu (Globicephala), nhưng nghiên cứu về trình tự gien Cytochrome b thực hiện bởi Richard LeDuc chỉ ra rằng họ hàng gần gũi nhất còn tồn tại là loài cá heo thuộc chi Orcaella.[7]