Le cachalot se distingue par une énorme tête quasiment parallélépipédique, la présence de dents pointues et des narines soudées en un unique évent. L'adulte mesure de 11 à 17 m et pèse 50 à 70 tonnes, les plus grands spécimens étant mâles.
Le corps est gris foncé ou noir avec quelques taches sur le ventre. Il peut comporter des marques rectilignes et de nombreuses cicatrices, dues aux combats entre les mâles ou avec des calmars géants.
Les nageoires pectorales sont petites. La nageoire dorsale, constituée d'une rangée de crêtes, est utile pour plonger. La nageoire caudale, triangulaire et fendue, est très puissante et mesure jusqu’à 4 m.
La tête est en forme de proue, avec un front — le melon — au profil presque rectangulaire chez le mâle. Énorme, elle représente le tiers de la longueur et peut peser 16 tonnes. Cette taille s'explique par la présence du spermaceti, une poche d'environ 5 tonnes d'acétylpalmitate, un lipide de la classe des cérides, très prisé dans la fabrication de savon. Les lèvres sont blanches. La mâchoire inférieure comporte entre 40-60 dents qui mesurent près de 20 cm et pèsent 1 kg. C’est le seul cétacé dont l'évent, unique, est oblique (vers l'avant gauche).
Avec une masse pouvant atteindre neuf kilogrammes, le cerveau du cachalot détient le record du monde animal. Son intelligence et ses capacités cérébrales sont très mal connues, car il est très difficile de l'étudier vivant. Les recherches actuelles laissent penser qu'il passe beaucoup de temps dans un demi-sommeil ponctué de rêves, se laissant dériver de longues heures. Il semble qu'ils dorment à la verticale, la tête en bas.
Des cachalots datant du Miocène ont été décrits: Brygmophyseter qui pouvait mesurer jusqu'à 12 mètres, Zygophyseter, et plus récemment Leviathan melvillei.