Косатки — крупнейшие плотоядные дельфиновые; отличаются от других дельфиновых контрастным чёрно-белым окрасом. Самцы косаток достигают в длину 10 м и имеют массу до 8 т, самки — до 8,7 м длины. 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.