クロマグロの成魚は全長3 m・体重400 kgを超え、日本沿岸で漁獲されるマグロ類としては最大種である。体型は太短い紡錘形で、横断面は上下方向にわずかに長い楕円形をしている。体表は小さな鱗があるが、目の後ろ・胸鰭周辺・側線部は大きな硬い鱗で覆われ、「胸甲部」と呼ばれる。体色は背中側が濃紺、体側から腹部にかけてが銀灰色をしている。背鰭は二つとも灰色だが、第二背鰭先端とその後に続く小離鰭は黄色を帯びる。尻鰭とその後に続く小離鰭は銀白色をしている。
クロマグロは太平洋の熱帯・温帯海域に広く分布する。インド洋にも分布するがまれである。また、北半球に多く南半球には少ない。
同じくらいの大きさの個体同士で群れをなし、高速で回遊する。大型個体の遊泳速度は70-90km/hに達すると言われる。 食性は肉食で、海中を遊泳する他の魚や甲殻類、頭足類などを捕食する。
西太平洋のクロマグロは、南日本から台湾にかけての温暖な海域で春から夏にかけて産卵する。受精卵は直径約1 mmの球形で、約32時間で全長約3 mmの仔魚が孵化する。卵黄を吸収した仔魚は小動物を捕食し、餌がない場合は共食いもして、孵化後22日で約3 cmに成長する。74日で全長約25 cmに達し、この頃には形態は成魚とほぼ変わらなくなる。魚体が大きくなるのは早いが、性成熟は5年かかり、魚類の中でも遅い部類に入る。
稚魚は暖流に乗って日本沿岸まで北上し、そこで成長する。ただし一部は太平洋を横断しアメリカ西海岸に達するものもおり、2-3年かけて現地で成長し、再び西太平洋に戻る。ある程度成長したものは太平洋横断はせず、季節的な南北の移動を繰り返す。