虎鲸拥有极强的记忆力，其认知能力在动物界中名列前茅：
长期社会记忆：族群成员间的关系可维持数十年，即便短暂分离后仍能通过声音识别彼此。研究记载，某族群雌性虎鲸在与女儿分离 20 年后重逢时，仍表现出亲密互动。
地理与捕食记忆：能记住迁徙路线、猎物聚集区域及季节性变化。例如，以鲑鱼为食的虎鲸会记住河流入海口的位置，每年固定时间返回捕食洄游鱼群；某些族群甚至能记住特定海岸地形，利用潮汐规律实施捕猎。
创伤记忆：对危险场景的记忆深刻。如曾被渔网困住的虎鲸，之后会主动避开类似渔具；野生虎鲸对人类普遍表现出好奇而非攻击性，可能与族群中 “人类无害” 的记忆传承有关。
学习与记忆关联：幼鲸通过观察成年个体学习技能，如如何冲撞冰面使海豹落水，这种行为需结合观察记忆与实践练习，显示其具备联想记忆能力。