Es un animal con cabeza y mandíbula grandes, y ojos minúsculos. Es el más grande de los odontocetos (cetáceos con dientes); los machos alcanzan los 18 metros de longitud y 50 toneladas de peso aproximadamente. Su color va del marrón oscuro al grisáceo, con el área del vientre más clara.
Este cetáceo fue clasificado por Linnaeus como dos especies distintas: Physeter catodon, Physeter = "soplador", catodon = "dientes sólo en el mandibular" y Physeter macrocephalus = "cabeza grande". Actualmente se denomina Physeter macrocephalus.
Es fácil de reconocer: tiene una cabeza rectangular enorme, su longitud puede ser hasta un tercio del total del cuerpo y en ella se aloja el llamado órgano del espermaceti
Los cachalotes tienen dientes grandes y cónicos (50 aprox.) sólo en la mandíbula inferior que es muy estrecha y más corta que la cabeza.
La piel del cachalote no es lisa, sino que tiene crestas irregulares que le dan un aspecto arrugado.
Al nadar lo hace despacio y puede sumergirse a una profundidad de 1 km. cuando va en busca de alimento; como norma general, permanece bajo el agua entre 45 y 60 minutos, después sube a la superficie a respirar; respira de forma continua durante unos 12 ó 15 minutos antes de sumergirse otra vez.
El cuerpo está comprimido por los lados, sólo hay un espiráculo (orificio nasal) en la parte frontal izquierda de la cabeza, y la aleta dorsal, que es amplia, baja y parece una joroba, está situada en el tercio posterior del cuerpo del animal.
La coloración del cuerpo tiende a ser gris oscura o negra, los labios son blancos y hay algunas manchas de este color sobre el vientre.
Se ha sugerido que los sonidos más agudos emitidos por el cachalote son de tal intensidad que aturden a sus presas y le facilitan su captura.
La dieta de los cachalotes se compone principalmente de calamares, pulpos, peces, crustáceos y sepias (jibias: moluscos), incluyendo obviamente a los calamares gigantes, de más de 10 metros de longitud.