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虎鲸具有高度的社会性和复杂的社会结构。喜欢群居的生活，有2-3只的小群，也有40-50只的大群，甚至有报道称一个族群里有数百个个体，但这只是一组较小的族群之间的暂时联系。族群中的个体一般是相关个体的多代，由约20%的成熟雄性、20%的幼鲸、60%的雌性和未成熟雄性组成。虎鲸从母群中的扩散有限，幼鲸总是母群的一部分。在族群中的个体在彼此100米范围内游泳并协调它们的活动。它们可能共享猎物，很少离开族群超过几个小时。

虎鲸通过学徒教导族群成员。打猎和养育后代是教给年轻鲸鱼的技能之一。它们每天总有2-3个小时静静地呆在水的表层，因为肺部充满了足够的空气，所以能够安然地漂浮在海面上，露出巨大的背鳍。群体成员间的胸鳍经常保持接触，显得亲热和团结。如果群体中有成员受伤，或者发生意外失去了知觉，其它成员就会前来帮助，用身体或头部连顶带托，使其能够继续漂浮在海面上，就是在睡觉时也扎成一堆，这是为了互相照应，并保持一定程度的清醒。它们在一起旅行、用食，以种群为社会组织，在广大的家庭中休息，互相依靠着生存长大。

虎鲸每天可以游到160公里。时常会有跃身击浪、浮窥等行为，或是以尾鳍或胸鳍拍击水面。在海湾的浅水地带，它还喜欢用尾巴上的缺刻去钩拉海藻，发出“呼呼”的声音，不久，浑身就披满了半透明的海草。虎鲸的泳速最快可达时速55公里，可闭气17分钟左右。当周遭空气凉爽时，通常可看见它们低矮而呈树枝状的喷气。虎鲸的水柱是倾斜的，又粗又矮，不像须鲸一样，又细又高。它们对船只的反应多样，冷漠忽视或是充满好奇心都有可能。偶尔会集体搁浅，群体有时会被困在潮池或海湾中。在北极与南极海域，因为风吹而快速产生的浮冰对虎鲸而言是一大麻烦，有时会因此迫使它们停留于水面狭窄的小水域里相当长的时间。

虎鲸使用3种发声方式：哨声，离散的呼叫和点击声。语音用于通信和导航。在各群之间进行联系时，它们使用离散的呼叫和口哨声。每个小群都有一个离散的方言，听起来与其他小群略有不同。该方言在族群中可以保持多达六代不变。单击声似乎仅用于回声定位。虎鲸确实具有良好的视力，但是在黑暗的水中，它们的视力对捕获猎物或航行没有帮助。与其他齿鲸一样，虎鲸使用声纳感知其水生环境。虎鲸不仅能够发射超声波，通过回声去寻找鱼群，还能够通过超声波判断鱼群的大小和游泳的方向。这种能力，对生活在海洋里的食肉动物来说是十分重要的，海水下面十分黑暗，很难在这种环境里看清远处的捕食目标。

鲸鱼的耳朵是眼睛后面非常小的开口，没有外部瓣。虎鲸听到了哨声，然后点击了下颌中的听觉泡。声波通过颌骨进入，然后进入耳骨复合体。在这种听觉泡中，有一些骨头，就像在人耳中发现的骨头一样。它们通过这些骨骼传播，然后通过听觉神经进入大脑。

有时虎鲸会采用团体的方式打猎，它们利用从隆额（海豚科用来制造回音定位的部位，会将声音集中成一束）发出的超音波互相沟通和联系，并策划战术。它们也会合力将鱼群集中成一个大球，然后轮流钻入取食。猎捕海狗时，虎鲸会在满潮前观察直达海滩的裂缝沟渠，当满潮时沟渠会灌满水，并在沙滩上形成一片浅水域，此时虎鲸会沿着沟渠冲上海滩，并故意让自己搁浅，以趁机捕食海狗或海狮，有时一只虎鲸会露出大背鳍吸引海狗群的注意，这时另一只虎鲸就会悄悄的靠近捕杀海狗，当猎物脱逃时，另一只虎鲸就会冲上去接替捕食。类似地，虎鲸有时会将腹部朝上，一动不动地漂浮在海面上，很像一具死尸，而当乌贼、海鸟、海兽等接近它的时候，就突然翻过身来，张开大嘴把它们吃掉，有时也会用尾巴将猎物击昏，如海狮等，再进行捕食。

位于美国华盛顿州与英属哥伦比亚的定居型虎鲸“居留鲸”，其基本社群单位为小型母系群体，一般由2-9头血缘关系相近的虎鲸所组成，此母系群体会长期维持稳固，所有成员似乎会共同分担养育工作。几个这样的群体会共同组成一个小群（通常用以描述一群彼此间有社交行为联系的鲸目动物），典型的小群通常包含成年、未成年的雌雄虎鲸与仔鲸，多半由最年长的雌鲸居于领导地位，而待在小群里的雄鲸通常是该雌鲸的后代。甚至有的雄性虎鲸长到9米还在小群中生活。

虎鲸的社会形态是母系，交配对象的选择比较复杂，不是由雄性的力量决定一切：例如鲸群的族长有时能活到80岁，在晚年也有交配的例子，她们选择交配的对象一般是鲸群内部年长的雄性。雌鲸选择对象的标准科学家并不清楚，很少观察到交配的现场，只知有母亲，不知父亲在哪。

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鲸群内没有父子关系和父女关系，雄性的责任是出去寻找食物，然后引导鲸群集体猎杀，分工明确，没有地位的高低；而母女、母子关系则非常稳定，是一辈子的关系，一般不会离群。出现孤鲸的原因一般是受伤或迷路。当族群过大时，会“分家”，产生一个新的族群。

虎鲸平均每天吃45千克的食物，实际上所能吃的远远超过此。它们会吞下整个小的猎物，但在食用前往往会撕碎更大的猎物。食物包括鱼类、其他鲸类、鳍足类、海獭类、鸟类、爬行类和头足类。在南极采集的虎鲸的362个胃中，217个含有鱼类，75个含有小须鲸的残余，35个含有鳍足类，35个含有头足类。

虎鲸的大脑非常发达同时身体拥有强大力量，凭借这些优势，这些高智商动物能够追赶和捕杀海洋中的很多顶级捕食者。它们经常成群结队地狩猎，并使用协调的社会行为和交流来捕猎比自己更大的猎物，例如大鲸鱼。一些虎鲸家族成员的菜单上至少列出了9种鲨鱼美味，其中就包括令很多动物闻风丧胆的大白鲨和灰鲭鲨。

虎鲸为多配性的。在西北太平洋，多数在5-7月间进行交配。在东北太平洋，它们大多在10月至次年3月间产仔。成年雄性体长5.2-6.2米，成年雌性体长4.6-5.4米。雌性在11-16年间生产第一个可存活的仔鲸。

虎鲸全年都可以交配，每当雌性动物进入发情期，虎鲸就可以繁殖，每年可能多次发生。但是，大多数繁殖都发生在夏天，虎鲸通常在秋天出生。雌性在6-10岁之间达到性成熟。雄性的性成熟年龄在10-13岁之间。雌虎鲸开始交配14-15岁。有记录的最年轻的母鲸是11岁。雌性每6-10年产一头仔鲸，它们在40岁左右停止繁殖。一般是25年内会产有4-6个后代。虎鲸一次只产一头仔鲸，偶尔也有双胞胎。断奶前，新生的仔鲸体长2-2.4米，出生时体重约136千克。在北太平洋记录的最小的新生仔鲸长2.28米仔鲸要哺乳约一年。一些研究表明，几乎所有新生仔鲸的一半都在它们出生的第一个生日之前死亡。

雌性虎鲸在繁殖后代上投入了大量精力。它们的妊娠期将近18个月，分娩和哺乳期12个月。在这段时间里，母亲们教它们的仔鲸去狩猎，并将其后代领入社交网络中。由于这些动物不是一夫一妻制，因此可以认为父亲交配后不参与养育。当仔鲸出生在群体中时，它依靠其母亲来获得营养和支持。独立后，仔鲸仍留在它们出生的族群中。在出生后的1-2年内，幼仔在饥饿或者呼唤雌兽时，只能发出粗厉的声音。以后随着年龄的增长逐渐模仿成体的声音，改进和丰富自己的叫声，但由于虎鲸的语言复杂而多变，幼仔要完全掌握成体的“语言”，至少需要花上5年多的时间。平均寿命估计达80-90年。雄性约在15龄达性成熟，平均寿命约29年，最大寿命约50-60年。

虎鲸族群似乎是由许多亚族群组成，各自适应于其栖息环境，由此点看来，虎鲸与狼群非常相似。部分学者认为，不同族群的虎鲸之间在形态、基因、生态、与习性上皆存在差异，似乎可区分出不同亚种甚至是新物种。

美国研究人员在2010年的《基因组研究》杂志上报告说，他们对虎鲸线粒体的脱氧核糖核酸测序后发现了至少3个新的虎鲸物种，这也表明全球海洋中存在不止一种虎鲸。

在新研究中，研究人员通过“高度平行测序技术”对139只虎鲸线粒体的脱氧核糖核酸进行了测序。这批虎鲸来自北大西洋、北太平洋以及南极大陆附近海域。研究人员最终发现，在南极海域生活的两种分别主要以鱼和海豹为食的虎鲸可能属于新物种，此外，北太平洋地区也存在新的虎鲸种群。