Selon les apparences, Ambulocetus avait le même mode de vie que le crocodile actuel, attendant que sa proie se manifeste, tapi dans l'ombre ou sous l'eau. Des analyses isotopiques de l'oxygène effectuées sur ses dents montrent qu'il pouvait vivre autant dans l'eau douce (lagunes) que dans l'eau salée (en mer).
C'est une espèce intermédiaire entre des animaux terrestres comme Pakicetus et des espèces totalement aquatiques telles que Basilosaurus. Il pouvait donc aussi bien marcher sur la terre ferme que nager dans l'eau, même si ses pattes arrières étaient mieux adaptées à la nage qu'à la marche. Pour nager, Ambulocetus devait très certainement onduler son dos verticalement à la manière des loutres et des baleines.
Ambulocetus est considéré comme un ancêtre des baleines actuelles, partageant avec elles les mêmes adaptations sous-marines : adaptation nasale, même structure des oreilles, dents semblables à celles des cétacés...
Remarque: Ambulocetus Natans veut dire litérallement: baleine qui marche et nage