Левиафан обладал самыми крупными зубами среди всех китов, а возможно, и среди всех позвоночных (если не брать во внимание хоботных млекопитающих). Длина верхних зубов достигает 36 см, а диаметр — 12 см. Общая предположительная длина тела от 13,5 м по пропорциям современного кашалота, до 17,5 м по пропорциям Zygophyseter varolai. Возраст скелета оценивается в 9,9—8,9 млн лет.

Зубы росли и на нижней, и на верхней челюстях. Вероятно, мелвиллов левиафан охотился на морских млекопитающих — в том числе и на других китов. Также был способен питаться некоторыми видами крупных рыб. Однако, отметин на костях предполагаемых жертв не имеется. Возможно, это связано с тем, что морские млекопитающие берегут свои зубы при нападении на крупную добычу.

Мелвиллов левиафан имел массивную и короткую голову, имеющую пространство для спермацетового органа. Этот орган, как полагают, помогает современным кашалотам питаться при глубоководном погружении. Тем не менее, мелвиллов левиафан, вероятно, охотился на свою добычу вблизи поверхности, поэтому кажется, что у него этот орган исполнял бы иные функции. Возможные функции спермацетового органа мелвиллова левиафана включают эхолокацию (в связи с наличием оной у более примитивных китов), акустические экраны (с действием спермацетового органа в качестве резонансной камеры) или для агрессивного тарана, возможно, использовавшегося при атаке добычи.