多くは海に生息するが、カワイルカ類のように淡水である川に生息する種類や、淡水と汽水域を行き来する種類もいる。
頭頂部に呼吸のための独立した噴気孔をもち、そこから肺呼吸する。呼吸の周期はおよそ40秒である。 イルカは一度も泳ぐのをやめず息継ぎもきちんとしながら常に泳ぎ続けている事から、かつてはイルカは全く眠らないのではないかと言われていた。しかし、イルカは右の脳と左の脳を交互に眠らせる事（半球睡眠）ができる特殊な能力があることが分かってきており、眠らないという説は現在ではあまり有力ではない。目をつむってから息をするまでの約一分間×300回〜400回が一日の睡眠時間であり、一定方向に回転しながら眠ることが知られている。この回転方向は北半球のイルカは反時計回り、南半球のイルカは時計回りに回ると報告されている。ちなみに、右の脳が眠っている時は反対の左目を、逆に左の脳が眠っているときは右目をつむりながら泳ぐ。
体形は紡錘状で、背に鎌形あるいは三角形の背びれを有する種類が多いが、背びれがほとんどない種類もいる。 前足に相当する部分に胸びれがあり、後ろ足は退化してわずかに骨のカケラとして体内に残る。 尾側の最後部に尾びれを有し、尾びれを上下に動かして泳ぐ。
メスとオスに分かれ、生殖行為を通して一定期間妊娠の後に出産する。生殖器は通常外見からはメスとオスの区別は困難であるが、交接時にはペニスが露出するため容易に鑑別できる。 誕生からしばらくの間は母親の母乳によって育てられる。
多くは魚類や頭足類な どを捕食する肉食である。また、水分はあくまでも食料の魚類などから摂取する。水分として直接摂取するほか、脂肪を体内燃焼したときに生じる代謝水もあ る。海水からは摂取する割合はごく少量であり、意図的に摂取しているのではないと考えられている。海水を大量に摂取した場合、排尿が促進されて脱水症状に陥る点は人間と同じである。イルカの歯はおよそ80本あるが食べるときは丸飲みである。
単独で行動するケースも見受けられるが、複数匹で群をなして行動することが多い。 また複数の実験・観察結果を通して、噴気孔付近から出すクリック音を使って同種の個体同士でコミュニケーションする可能性が指摘されている。 全般的に好奇心旺盛で人なつっこく、船に添って泳ぐなどしてその姿を人間に見せることが多い。このような性格を興行やアニマルセラピーとして利用している。
バンドウイルカなど一部のイルカは水族館において展示飼育されることも多い。訓練された曲芸（海面上へのジャンプや立ち泳ぎ等）によるイルカショーなどに使用される。
動物療法（アニマルセラピー）として、イルカと触れ合うことで心が休まることなど、精神的な疾病の治療にも利用されることもある。水族館での生活に適応できた個体は長生きし繁殖まで行うことが出来、一部の施設では三世代繁殖の成功もしている。
船でイルカと併走しながら泳ぐ様を観賞するドルフィンウォッチング（ホエールウォッチング）が開催されている。
ドルフィン・アシステッド・セラピー(Dolphin Assisted Therapy)とは、イルカによる癒し療法のことで、薬物や手術を用いないイルカ介在療法のことをいいます。
これは、動物のもつ「癒し(Healing)」効果を期待する療法、アニマル・セラピーの一種で、1970年代後半に米国で研究が始まり、国内では遅れること1996年から沖縄の国立成育医療センターや千葉県の鴨川シーワールドなどで行なっています。
イルカを見たり、一緒に泳いだりすることで癒し効果が得られるとされています。海と関わりながらセラピーを行うため、陸上でのセラピーとは違った効果が期待されています。