一的头颅化石长3公尺，牙齿最长36公分，全身估计长13.5-17.5公尺。体型与外貌与现代抹香鲸相似。但与现代抹香鲸只在下颚有具功用的牙齿比较，梅尔维尔鲸两颚都长有牙齿，而且比现代抹香鲸的牙齿大得多：是目前所发现最大的鲸齿。它们据信是积极的掠食者，可能以须鲸为食。头颅化石有一凹陷的坑，说明它有一个巨大的脑油器，内存大量油脂和蜡质，以结缔组织分隔，作用是帮助现代抹香鲸潜入深水捕食乌贼。但由于梅尔维尔鲸可能以须鲸为食，器官可能另有用途，包括作声音定位、利用脑油器作共鸣器求偶，或者用于雄鲸争夺配偶或猎食时以头