2010年6月30日在《自然》杂志公布的化石显示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:是现存最大的鲸齿,可能以须鲸为食。
但2013年发现了一颗长达40cm的蕉形肉食鲸齿,所以可能存在比梅尔维尔鲸更大的肉食抹香鲸,或者梅尔维尔鲸可以长得更大。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,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部作攻击武器。