Le cachalot se nourrit principalement de céphalopodes (calmars, pieuvres), mais aussi de poissons et, parfois, de pinnipèdes (phoques). Grand prédateur, il peut s'attaquer à des requins de trois mètres. Sa proie favorite serait le calmar géant, avec lequel il livre des combats titanesques.
Bien qu'on ait retrouvé dans l'estomac de certains cachalots des restes de calmars de plusieurs dizaines de mètres, il s’alimente généralement de grandes quantités de pieuvres d’un mètre.
Après une dizaine de minutes durant lesquelles il respire en surface, le cachalot bascule, faisant émerger sa nageoire caudale, puis plonge durant 30 à 110 minutes.
Il chasse généralement entre 300 m et 1000 m mais peut atteindre la profondeur abyssale de 3500 m, où il capture les pieuvres et les calmars géants.
On a visuellement (par caméra) pu observer un cachalot à près de 3000 m de fondet il semble pouvoir chasser au moins jusqu'à -3.500 m.
Les femelles sont grégaires et vivent en groupes de 10 à 50 individus, avec leurs petits et les jeunes mâles, sous l'autorité d'un mâle adulte. À la saison des amours, les mâles combattent violemment.
Tous les trois à cinq ans, après une gestation d'une quinzaine de mois, la femelle met bas un unique jeune de 4 m et de plus d’une tonne. Les jeunes tètent jusqu'à l'âge de plus d’un an. Le jeune mâle ne quitte sa mère que vers six ans et n'atteint la maturité sexuelle que vers 10 ans. Le mâle devient adulte vers 30 ans et peut alors constituer un groupe et s'accoupler. Sa longévité est d'environ 70 ans.
Le cachalot vit dans tous les océans et presque toutes les mers, dont la Méditerranée. Il fréquente surtout les régions abritant le calmar géant. Bien qu'il préfère les eaux équatoriales ou tropicales, le mâle adulte remonte jusqu'aux mers polaires. Dans les années 80, les trois quarts des cachalots se trouvaient dans l'hémisphère sud.
La chasse au cachalot a été interdite en 1982 et a continué sous sa forme traditionnelle aux Açores jusqu'en 1984.
Le cachalot a été exagérément chassé pour le spermaceti (blanc de baleine), un liquide huileux particulièrement apprécié qui est concentré dans la tête. En outre, ses intestins contiennent jusqu'à 500 kg d'ambre gris, concrétion très recherchée en parfumerie, où elle est utilisée comme fixateur.
Traqué dès le XVIIIe siècle, le cachalot a été décimé au début du XIXe siècle. Le célèbre roman Moby Dick relate l'histoire d'une de ces chasses.
L'espèce allant disparaître, sa chasse a été interdite en 1982 par la Commission baleinière internationale.Sans la pêche baleinière, on estime qu'il y aurait aujourd'hui environ 120 000 cachalots rien que dans l'océan Antarctique.
L'impact éventuel de l'industrie basée sur l'observation touristique des cachalots a été étudié à Kaikoura (Nouvelle-Zélande). Il semble effectivement que cette activité modifie le comportement des animaux, mais dans des proportions si faibles que des conséquences biologiques n'en sont sans doute pas à redouter.
Ce superprédateur joue un rôle majeur, en tant que positionné au sommet de la pyramide alimentaire marine et jusqu'à grande profondeur, en régulant notamment les populations de pieuvres et grands calmars.
Des chercheurs de l'université Flinders (Australie) ont récemment montré qu'il jouait un rôle important dans le recyclage du fer, via ses excréments ; le fer - quand il est biodisponible - est un stimulant connu de la photosynthèse phytoplanctonique, qui est à la base de la pompe à carbone océanique. Les 12 000 cachalots d'Antarctique contribuent ainsi à permettre l'absorption d'environ 400 000 t de carbone (environ deux fois ce que les cachalots émettent en respirant). Leurs excréments dispersent annuellement environ 50 t/an (de fer) dans l'océan, ce serait 10 fois plus, s'ils n'avaient pas été pourchassés depuis deux siècles.