ברוב שעות היום תנין הים חסר פעילות, לא מרבה בפעולות מיותרות ומעדיף להשקיע את זמנו בניצול אור השמש לחימום דמו. הוא מסוגל לשחות במהירויות של למרחקים קצרים, אך לרוב ישייט במהירות של 3–5 קמ"ש.
תנין הים הוא טורף סתגלני, הידוע ביכולתו לתפוס חיות בגודל של תאו המים בתוך המים ועל פני האדמה. תזונת הצעירים מוגבלת לפרוקי-רגליים ובעיקר סרטנים, לזוחלים, ליונקים קטנים ולדגים. התזונה של הבוגרים, לעומת זאת, רחבה מאוד, והיא כוללת חיות קטנות כמו דגים, סרטנים, עופות ויונקים (לרבות עטלפים שנתלים על צמחייה קרוב לפני המים), ועשויה לכלול אף כרישים, בני אדם, דינגו, תאו מים, אייל סמבר, קופים וחזירים. תנין הים מסוגל לשרוד ללא מזון חודשים רבים.
החיים בים.
המאפיין ההתנהגותי המרכזי שמבדיל בין תנין הים לתנינאים אחרים הוא נטייתו לפעול גם במים מלוחים. גם למספר מיני תנינים אחרים יש בלוטות המפרישות מלחים ומאפשרות להם להתקיים במים מלוחים (לאליגטוריים אין בלוטות כאלה), אבל הם ממעטים לשחות בים ויוצאים אליו רק במקרים קיצוניים. פרט לתנין הים, רק התנין האמריקאי נוהג לפקוד את הים בקביעות. תנין הים נוהג לשחר לטרף בים בקביעות, לחצות את הים המפריד בין איים ואף לקצר דרכים על ידי שחייה בים במקום צעידה ארוכה ביבשה. תנין הים מנצל זרמים תת-ימיים כדי לנדוד בים מרחקים ארוכים ביתר יעילות. מחקר שנערך על 20 תנינים שהוצמד להם שבב מעקב המשדר ללוויין מצא ש-8 מתוכם יצאו לים הפתוח ואף לאוקיינוס ושחו בו כ-590 ק"מ ב-25 ימים. תנין נוסף, זכר באורך 4.84 מטר, שחה 411 ק"מ ב-20 ימים. במשך שהותם בים התנינים לא תמיד שוחים באופן פעיל ולפעמים מנצלים זרמים כדי לצוף למחוז חפצם תוך חיסכון באנרגיה. לעיתים הם מפסיקים את מסעם ונחים במפרץ או בחוף אי, בעיקר כאשר הזרמים לרעתם.
התנהגות חברתית.
בעוד שרוב התנינים הם חיות חברתיות החולקות טריטוריה, מקומות שיזוף ואזורי הזנה, תניני הים הם בעלי חיים יחידאים וטריטוריאליים יותר ופחות סבלניים לפולשים לשטחם. בעוד הזכרים יגלו סבלנות מסוימת לנקבות בשטחם, הם לא יסבלו זכרים אחרים בטריטוריה שלהם ויגרשו אותם או על ידי הפחדה או באלימות פיזית.
תניני הים מזדווגים בעונה הגשומה ומטילים ביצים בקן המורכב מערימת בוץ המכוסה בצמחים, שמטרתה לעזור בחימום הקן. הנקבה שומרת על הקן, הביצים והאבקועים מפני טורפים.
פעילות וחילוף חומרים.
תניני הים הם "בעלי דם קר" ותלויים בחום חיצוני כדי לשמור על טמפרטורת גוף גבוהה מספיק. מכיוון שקצב חילוף החומרים אצלם איטי הם יכולים לשרוד חודשים ללא מזון. ברוב שעות היום תנין הים חסר פעילות, לא מרבה בפעולות מיותרות ומעדיף להשקיע את זמנו בניצול אור השמש לחימום דמו או בשכשוך במים. הם מעדיפים לצוד בלילה, אך צדים גם ביום כשיש צורך. מחקר על התנהגות עונתית של תנין הים באוסטרליה מעלה שהם יותר פעילים בקיץ ובתקופה זו אף שוהים יותר בתוך המים, ואילו בחורף הם פחות פעילים ומשתזפים יותר זמן בשמש.
עם זאת, תנין הים הוא אחד ממיני התנינאים הפעילים ביותר, ומרבה יחסית לבלות בשחייה פעילה או בציד. הוא בעל חיים פחות יבשתי משאר מיני התנינים, ומבלה את רוב זמנו במים ורק את מקצת הזמן ביבשה, בדרך כלל כדי להתחמם בשמש. הוא יכול לבלות שבועות שלמים בים בחיפוש אחר יבשה. הוכחה לכך ניתן למצוא בתניני ים שעל קשקשי שריונם גדלו בלוטי ים – יצורים ימיים מקבוצת זיפרגליים.
למרות היותו בעל דם קר ובעל אורח חיים עצל, תנין הים הוא צייד זריז ומהיר. הוא מסוגל לתנועות מהירות ופתאומיות, כגון זינוק על טרף (פעולה שנעשית בשילוב הרגליים והזנב השרירי), אך מתמיד בהן רק לפרקי זמן קצרים.
מוחם של התנינאים קטן יחסית מזה של יונקים ומהווה רק 0.05% ממשקל הגוף בתנין הים. למרות זאת, יש להם יכולת למידה טובה והם מסוגלים ללמוד לבצע משימות מורכבות, לעקוב אחרי נתיבי הנדידה של טרפם בחילופי העונות, וייתכן שהם מסוגלים לקיים תקשורת מורכבת יותר מכפי שסבורים המדענים.
ציד ותזונה.
כמו רוב התנינאים, תניני הים הם טורפים סתגלניים ואופורטוניסטים שאוכלים בשר וכל דבר חי שהם יכולים. הטרף שלהם מגוון ביותר ומבוסס על זמינות.
תנינאים שאך בקעו מהביצה (אבקועים) יכולים לאכול רק בעלי חיים קטנים כגון פרוקי-רגליים, חסרי חוליות ימיים (כגון סרטנים וחלזונות), צפרדעים ודגים קטנים. כאשר הם גדלים במקצת הם טורפים גם דגים גדולים יותר, סילוניות, עופות קטנים, זוחלים קטנים כגון לטאות ואף יונקים קטנים. ככל שתנין הים גדל כך גדל מגוון בעלי החיים אותם הוא מסוגל לצוד, להרוג ולאכול. הוא מרבה לאכול סרטנים גדולים (כגון סרטנים מהסוג "Scylla"), בעיקר בביצות מנגרובים. תנין הים מרבה לטרוף גם עופות מים שנפוצים בשטחי מחייתו ויכול לטרוף אף עופות גדולים כאמו. לעיתים הוא אף מזנק וטורף עופות מים ועטלפים בעת שהם מעופפים קרוב לפני המים וכן ציפורים משכשכות המחפשות מזון בחופים ובגדות. תניני ים צעירים ותת-בוגרים טורפים גם יונקים לא גדולים הכוללים פרסתנים קטנים כגון איילון בלבק ואייל חזירוני. לעיתים הם תוקפים גם יונקים גדולים יותר כגון מקוק סרטנים, גיבונים, דרבנים, וולבי, נמיות, עטלפים גדולים, ארנבות, גיריות, לוטרות ואיילוניים. גם תניני ים בוגרים וגדולים אוכלים את היונקים הלא גדולים הללו כאשר מזדמן להם.
מגוון המזון של תנין ים בוגר גדול משמעותית וכולל גם בעלי חיים גדולים. בין היונקים שטורף תנין הים הבוגר נכללים איילים, איילי סמבר, מונטיאקים, אייל נקוד, חזיר בר, טפירים, קופים, קנגורו, דינגו, דול מצוי, תן, אורנג אוטן, אנטילופות ונילגאי. הגדולים שבהם טורפים אף פריים גדולים מאוד כמו בנטנג, תאו מים וגאור. תניני הים אוכלים גם זוחלים כגון צבים, צבי ים, נחשי פיתון, לטאות כוח ואף תנינים אחרים, קטנים יותר, בעיקר תניני ג'ונסטון הנפוצים בצפון אוסטרליה. מאחר שתנין הים מבלה חלק ניכר מזמנו גם בים הוא טורף גם בעלי חיים ימיים כגון דגים, דגי גרם, צבי ים, נחשי ים, עופות ים, תחש המשכן, בטאים וכרישים. כאשר תנין הים קרוב למשכנות האדם הוא לא בוחל גם בחיות משק וחיות מחמד כטרף, לרבות בקר, כבשים, עזים, חזירים, סוסים, תרנגולות, כלבים וחתולים.
בתחומי מחייתו של תנין הים ישנם גם טורפי-על אחרים כגון דוב מלאי וטיגריס, אך גם הם לא חסינים מפני תנין הים ופרט בוגר של תנין הים יכול להורגם ולטורפם. בעלי חיים גדולים כגון תאו מים וגאור ששוקלים מעל ל-1,000 ק"ג הם כנראה בעלי החיים הגדולים ביותר שתנין ים יכול להרוג ולאכול. במקרה אחד תועד תנין ים שגרר, הטביע וטרף סוס סאפוק חזק וכבד במיוחד, ובמקרה אחר מ-2011 תועד תנין ים שטרף טיגריס בנגלי.
כמו כל התנינאים, נשקו העיקרי של תנין הים הוא מלתעות חזקות החמושות בעשרות שיניים חדות. שיני תנין הים הן דמויות יתד ומעוצבות לתפיסת הטרף והחזקתו (שלא יברח או יחליק) ולא לחיתוך ולעיסת בשר. טרף קטן נבלע בשלמותו ואילו טרף גדול נגרר למים ומוטבע על ידי התנין. אחרי שהוטבע מבתר התנין את גופת הטרף וקורע אותה לגזרים באמצעות נשיכה ותנועות מהירות עם הראש. מהלך אופייני לביתור גופה על ידי תנין הוא "גלגול המוות": התנין אוחז בגופה בפיו ואז מתגלגל בפראות כדי לתלוש חתיכות בשר. תנין הים בדרך כלל צד מהמארב. הוא מתחבא מתחת למים, לעיתים כשרק עיניו ונחיריו בולטים, ומחכה לטרף. כאשר בעל חיים מגיע קרוב לשפת המים, תנין הים מזנק ולופת את הטרף בחוזקה בלסתותיו החזקות, ואם זה לא מספיק כדי להרוג את הטרף הוא גורר אותו אל תוך המים ומטביע אותו למוות.
עוצמת נשיכה.
לתנין הים יש את הנשיכה החזקה ביותר בעולם החי כיום, לצד תנין היאור. תנין ים בוגר יכול למחוץ גולגולת של פר בוגר בין לסתותיו. חוקרים בהובלת גרגורי מ' אריקסון מדדו עוצמת נשיכה של כ- בפרט של תנין ים שאורכו . עוצמה זו שקולה לכוח שמפעילה מסה של 1.67 טונה. בכך שבר תנין הים את השיא הקודם של עוצמת נשיכה – 9,450 ניוטון – שבו החזיק אליגטור אמריקאי באורך 3.9 מטר. בהתבסס על מתאם בין מסת הגוף (משקל) לעוצמת הנשיכה במספר מיני תנינאים, עוצמת הנשיכה של תנין ים באורך הוערכה כ-. לתנין היאור יש עוצמת נשיכה דומה: ד"ר בריידי באר מדד כוח של בפרט בוגר בגודל לא ידוע של תנין היאור.
המחקר, בהובלת גרגורי מ' אריקסון, העריך גם את עוצמת הנשיכה של תנינאים פרה-היסטוריים שנכחדו. הדבר אפשרי שכן האנטומיה של התנינאים השתנתה אך במעט ב-80 מיליון השנים האחרונות והמידע שיש בידי המדע על התנינאים של היום מאפשר להעריך את עוצמת הנשיכה של תנינאי העבר. אריקסון העריך שעוצמת הנשיכה של דיינוסוכוס באורך הייתה , כוח הגדול פי שניים מזה של הדינוזאור הטורף הענק טירנוזאורוס רקס. עוצמות נשיכה אדירות אלו מושגות בזכות האנטומיה של התנינאים ובפרט השרירים החזקים והקשיחים המצויים בבסיס הלסת. השרירים בנויים לסגירת הלסתות בעוצמה אדירה, אך מנגד השרירים שאחראים לפתיחת הלסתות חלשים מאוד ומאפשרים לחוקרים התופסים אותם למנוע מהתנין לפתוח אותם באמצעות חבלים, רצועות בד עבה או מספר שכבות של נייר דבק חזק ועבה.
רבייה.