Les cachalots sont des carnivores dévoués, dont le régime alimentaire est essentiellement composé de toute la viande de divers animaux océaniques. Environ 80 % du régime alimentaire du cachalot est composé de calmars géants, les 20 % restants étant mélange éclectique de poissons, crustacés et requins. Alors que le régime alimentaire du cachalot peut être établi avec une certaine certitude en examinant le contenu de son estomac, l'animal chasse à des profondeurs extrêmes et en tant que tel (à partir de 2014), ses rencontres avec le calmar géant n'ont jamais été directement observées.
Les cachalots plongent profondément pour se nourrir. On sait que les cachalots femelles plongent jusqu'à un kilomètre sous la surface, et les mâles plongent encore plus profondément à la recherche de proies. Ils peuvent rester immergés jusqu'à une heure pendant qu'ils chassent. La lumière du soleil ne pénètre pas la profondeur à laquelle les cachalots chassent, ils n'utilisent donc probablement pas leurs yeux disproportionnés. Cependant, ils ont un sens aigu de l'écholocation qui permet d'isoler les proies dans l'obscurité totale. Des cachalots aveugles mais en bonne santé ont été capturés, ce qui suggère que la vue est d'une importance secondaire pour les baleines dans la cueillette de nourriture.
Bien que le comportement de chasse des cachalots n'ait jamais été observé directement, de nombreuses baleines ont été capturées ou échouées avec de grandes cicatrices circulaires sur leur corps. Cela implique que les calmars qu'ils mangent se battent et se battent jusqu'à la mort.
