Zvířata jsou charakteristicky kontrastně zbarvena, s černým hřbetem, bílou hrudí a boky a bílou skvrnou nad a mezi očima. Mají těžké a podsadité tělo s velkou hřbetní ploutví. Samci dosahují 9 m délky a hmotnosti až 10 tun; samice jsou menší, dosahují délky 8,5 m a váhy 5 tun. Mláďata při narození váží 180 kg a jsou 2,4 m dlouhá. Hřbetní ploutev je vysoká asi 1,8 m, u samců je vyšší a vzpřímenější než u samic.
Dospělí samci kosatky jsou velmi impozantní a jen těžko si je lze splést s nějakým jiným mořským tvorem. Samice a mláďata lze v teplejších vodách na větší vzdálenost zaměnit s jinými podobnými druhy čeledi delfínovití, jako jsou kosatka černá (Pseudorca crassidens) nebo plískavice šedá (Grampus griseus).
Většina historických údajů o kosatkách byla získána z dlouholetých zkušeností obyvatel pobřeží Britské Kolumbie a Washingtonu a pozorováním zajatých velryb. Úplnost studia a zaznamenaná složitá sociální struktura stád v této populaci nasvědčuje tomu, že informace jsou detailní a přesné, nicméně proměnlivé skupiny a skupiny v jiných oceánech mohou mít dost odlišné sociální charakteristiky.
Samice poprvé otěhotní ve věku 15 let. Od té doby procházejí periodami polyestrických cyklů s necyklickými obdobími tří a šesti měsíců. Délka těhotenství kolísá mezi 15 a 18 měsíci. Matky rodí jedno mládě přibližně každých pět let. V analyzovaných stabilních stádech nastává porod v jakoukoliv roční dobu, k nejoblíbenějším měsícům však patří zimní. Úmrtnost nově narozených mláďat je velmi vysoká — podle jednoho průzkumu téměř polovina mláďat nedosáhne věku šesti měsíců. Mláďata vyžadují péči po dva roky, pevnou potravu však přijímají už po roce. Matky je krmí až do věku cca 40 měsíců, což znamená, že v průměru za život vychovají asi 5 mláďat. Samice se obvykle dožívají 50 let, ve výjimečných případech však mohou dosáhnout 80 až 90 let. Samci zahajují sexuální aktivitu ve věku 15 let a průměrně se dožívají 30, výjimečně až 50 let.