据化石推测，虎鲸的祖先是约200万前出现的西托克虎鲸（食鱼），于约100万年前灭绝。西托克虎鲸体型较小，是否为现存虎鲸的直系祖先，尚存疑。基因测序显示和现存虎鲸最接近的鲸豚类物种是伊河海豚（矮鳍海豚）。根据目前的基因手段得到以下信息。过客型是现存最古老的虎鲸（约70万年前），其次南极D型，然后是南极A型（约45万年前），接着是居留型、远洋型、ETP、北大西洋各族群（这些都是约30万年前），南极B1（约25万到20万年前）、B2（约20万到15万年前）、C（约15万到10万年前）最为年轻。

过客型内部也存在不同程度的基因分化（超过20万年）。西北热带/亚热带太平洋到印度洋热带/亚热带地区的虎鲸族群大部分是由过客型分化而来，一直到西南澳开始出现转折，西南澳一部分虎鲸基因接近过客型，一部分接近南极A型。神奇的是，南极西风带部分虎鲸的基因融合了过客型和南极A型。过客型完全只吃海兽，所以过客型确实很可能是目前最古老的虎鲸，这和基因测序也符合。历史上过客型从西北太平洋出发，扩散到西北太平洋和印度洋的热带/亚热带海域，适应当地海域的环境，转为杂食性，因为热带/亚热带海域海兽密度低。

北大西洋虎鲸的基因复杂，原来的一二型已不再定义。食鱼虎鲸整体基因接近北太平洋居留型，其中英国北部海域的虎鲸最接近。相比于挪威、冰岛的同类，英国北部虎鲸会捕食一定量的海豹、海豚等小型海兽，有些族群捕食比例超过50%。挪威部分族群则只吃鱼。食兽虎鲸一部分基因接近北太平洋居留型（如英国西海岸族群），一部分接近南极A型。推测北大西洋族群的大部分祖先来自北太平洋居留型，或者相反，前者可能性更大。北大西洋族群的另一部分可能是南极A型的祖先，或者相反。北大西洋热带/亚热带的虎鲸也有相当一部分基因接近居留型，有些在夏季会游到北极，捕食鲸鱼。北大西洋虎鲸整体内部分化也超过了20万年，如北欧族群和加勒比族群的基因差异。

南极A型虎鲸内部也有很多分支，如克罗泽型的基因测序显示和南极A型相近，但是体型小于南极A型，食性复杂。阿根廷搁浅捕食海狮的虎鲸和智利南部沿海的虎鲸特征类似南极A型，也被认为是南极A型的分支。

目前观察到只有北太平洋过客型虎鲸完全以海兽为食，只有北太平洋居留型虎鲸、南极C型、南极D型和部分挪威虎鲸完全以鱼类为食。南极A型、南极B1型、北大西洋食兽型的捕食以海兽为主（90%以上），但也会吃鱼和其他猎物。热带/亚热带虎鲸（如ETP）和南极西风带部分虎鲸（如克罗泽型）为杂食性，通常捕食海兽超过50%。典型如ETP和克罗泽型，捕食海兽超过60%。

比较特别的是ETP型，内部基因复杂，大部分接近北太平洋远洋型，部分接近北太平洋过客型和居留型。东澳/东南澳和新西兰的虎鲸则接近北太平洋居留型。东澳/东南澳的虎鲸是热带/亚热带型，杂食性。新西兰的虎鲸近岸型以软骨鱼为食，偶尔捕食海豚、海豹，离岸型为杂食性。

按体型划分：
北太平洋过客型、南极A型、南极B1型、北大西洋食兽型为第一档。
热带/亚热带虎鲸、克罗泽型、北太平洋居留型为第二档，前二者可能比居留型稍大。
北太平洋远洋型、南极B2型、南极D型、新西兰近岸型、北欧部分虎鲸为第三档。
南极C型、伊比利亚型、欧洲北海型最小。
根据现代基因学的研究，可以推断北太平洋是现存所有虎鲸的发源地，且虎鲸的共祖是食兽的。食鱼型虎鲸反而是后来出现的，且会根据环境变化，重新转化为食兽型或杂食型。南极B1、B2、C型的基因差异很小，但是食性差别却很大。这也是一个作证。