栖息环境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。 [10] 它们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。据美国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型态的虎鲸群，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。
虎鲸是所有鲸类中最国际化的，可能是仅次于人类的第二大范围的哺乳动物。它们几乎可以在任何海洋栖息地中发现，但最常见于海洋生产力高的冷水地区，尤其是在较高的纬度和近岸。目击范围从冲浪区到公海，水温或深度没有明显限制。分布范围扩展到许多半封闭的海域，例如地中海、鄂霍次克海、加利福尼亚湾、墨西哥湾、红海和波斯湾。
尽管虎鲸在世界范围内都有发现，但据报道，热带地区的密度比北极和南极的最高纬度低了1-2个数量级。在大陆边缘，虎鲸更为普遍。但是，这种一般模式存在一些差异，似乎与海洋生产力有关。在温暖的西部边界洋流（如墨西哥湾流或黑潮洋流）中，虎鲸似乎不如在生产力更高的东部边界洋流（如加州洋流）中普遍。但是，它们在千岛寒流和福克兰洋流等冷水西部边界洋流中也很常见
分布范围分布于阿尔及利亚、美属萨摩亚、安圭拉、南极洲、安提瓜和巴布达、阿根廷、阿鲁巴岛、澳大利亚、巴哈马、孟加拉国、巴巴多斯、伯利兹、贝宁、百慕大、博内尔、圣尤斯特歇斯和萨巴、巴西、英属印度洋领地、文莱、佛得角、柬埔寨、喀麦隆、加拿大（纽芬兰岛）、开曼群岛、智利、中国、科科斯（基林）群岛、哥伦比亚、科摩罗、刚果（布）、刚果（金）、库克群岛、哥斯达黎加、古巴、库拉索、科特迪瓦、丹麦、吉布提、多米尼加、多明尼加共和国、厄瓜多尔（科隆群岛）、萨尔瓦多、赤道几内亚、福克兰群岛（马尔维纳斯群岛）、法罗群岛、斐济法国、法属圭亚那、法属波利尼西亚、法国南部领土（克格伦）、加蓬、冈比亚、加纳、直布罗陀、格陵兰、格林纳达、瓜德罗普岛、关岛、危地马拉、几内亚、几内亚比绍、圭亚那、海地、希尔德岛和麦当劳群岛、洪都拉斯、冰岛、印度、印尼、伊朗、爱尔兰、以色列、意大利、牙买加、日本、肯尼亚、基里巴斯、利比里亚、马达加斯加、马来西亚、马尔代夫、马绍尔群岛、马提尼克岛、毛里塔尼亚、墨西哥、密克罗尼西亚联邦、摩纳哥、摩洛哥、莫桑比克、缅甸、纳米比亚、瑙鲁、荷兰、新喀里多尼亚、新西兰、尼加拉瓜、尼日利亚、纽埃、北马里亚纳群岛、挪威、阿曼、巴基斯坦、 巴拿马、巴布亚新几内亚、秘鲁、菲律宾、皮特凯恩、葡萄牙、波多黎各、俄罗斯、圣巴托洛缪岛、圣海伦娜，阿森松和特里斯坦达库尼亚、圣基茨和尼维斯、圣卢西亚、圣马丁（法属区）、圣皮埃尔和密克隆群岛、圣文森特和格林纳丁斯、萨摩亚、塞内加尔、塞拉利昂、新加坡、圣马丁（荷属区）、所罗门群岛、索马里、南非、南乔治亚岛和南桑威奇群岛、西班牙、斯里兰卡、苏里南、斯瓦尔巴群岛和扬·马延、坦桑尼亚、泰国、东帝汶、多哥汤加、特立尼达和多巴哥、突尼斯、阿联酋、英国、美国（阿留申群岛和夏威夷群岛）、乌拉圭、瓦努阿图、玻利瓦尔、委内瑞拉、越南、英属维尔京群岛、美国维尔京群岛、瓦利斯和富图纳群岛、撒哈拉沙漠西部和也门。 [3]
存在不确定：安哥拉、巴林、比利时、圣诞岛、克罗地亚、塞浦路斯、埃及、厄立特里亚、芬兰、希腊、中国香港、韩国、朝鲜、科威特、黎巴嫩、利比亚、马耳他、马约特岛、黑山、蒙特塞拉特、诺福克岛、卡塔尔、留尼汪岛、圣多美和普林西比、沙特阿拉伯、塞舌尔、苏丹、瑞典、叙利亚、托克劳、土耳其、特克斯和凯科斯群岛、图瓦卢。
现存和游荡：德国。