分布于几乎所有的海洋区域，从赤道到极地水域。水温或深度没有限制其范围。分布延伸到许多封闭或半封闭的海域，如地中海、鄂霍次克海、加利福尼亚湾、墨西哥湾、红海和波斯湾。
虎鲸按照栖息环境和习性等可以分为不同的生态型，不同生态型的虎鲸外形略有差别，习性各不相同。
虎鲸的生境为极地和温带海域为主，广泛分布于全世界的海域日本北海、冰岛，对于水温、深度等因素似乎没有明显的限制。通常更喜欢20-60米的深度，也可以沿着海岸线探访浅水区或潜入300米寻找食物。它们在高纬度地区有相当高的栖息密度，特别是在猎物充足的海域。
虎鲸的移动情形普遍与追踪猎物或增加捕食率有关，时间通常在鱼类产卵季与海豹的生产期。到了夏天，大西洋中大多数的虎鲸都栖息于浮冰边缘或有浮冰的水道，以须鲸、企鹅、海豚、海豹等为食。它们会迁徙至何处、会移动多远，仍未有定论。
部分虎鲸会终年停留于南极海域，而在北极的虎鲸则很少接近浮冰。据华盛顿州与英属哥伦比亚的虎鲸研究者指出，当地有定居型与过境型两种形态的虎鲸群，当地终年皆可发现此二种群体。部分个体有非常大的活动范围，由各地的照片辨识结果发现，有些虎鲸的活动范围自阿拉斯加一直到美国南方的加州。
