Косатки — крупнейшие плотоядные дельфины; отличаются от других дельфинов контрастным чёрно-белым окрасом. Для косаток характерен половой диморфизм: самцы достигают в длину 9—10 м при весе до 7,5 т, самки — 7 м при весе до 4 т. Кроме того, спинной плавник у самцов высокий (до 1,5 м) и почти прямой, а у самок — примерно вдвое ниже и загнут. В отличие от большинства дельфинов, грудные ласты у косатки не заостренные и серповидные, а широкие и овальные. Голова короткая, уплощенная сверху, без клюва; зубы массивные, длиной до 13 см, приспособленные к разрыванию крупной добычи.

Окраска спины и боков у косатки чёрная, горло белое, на брюхе — белая продольная полоса. У некоторых форм антарктических косаток спина темнее боков. На спине, позади спинного плавника, есть серое седловидное пятно. Над каждым глазом имеется по белому пятну. В водах Арктики и Антарктики белые пятна могут приобретать желтовато-зеленоватый или бурый оттенок из-за покрывающей их плёнки диатомовых водорослей. Форма пятен у косаток настолько индивидуальна, что позволяет идентифицировать отдельных особей. Кроме того, на севере Тихого океана встречаются полностью чёрные (меланисты) и белые (альбиносы) особи.

Хотя косатка — хищник с широким спектром питания, каждая отдельная популяция обладает довольно узкой пищевой специализацией. Так, некоторые популяции Норвежского моря специализируются на сельди и каждую осень мигрируют вслед за ней к побережью Норвегии; другие популяции в том же районе охотятся преимущественно на ластоногих. При этом пищевые пристрастия определяют социобиологические особенности популяций. При изучении канадских косаток было выделено две их разновидности: «резидентные» и «транзитные» косатки, или «домоседы» и «бродяги».