De meeste dolfijnen hebben zowel onder als boven water een scherp zicht en hun gehoor is vergeleken met dat van de mens vele malen beter. Dolfijnen nemen geluidsfrequenties waar van 75 Hz tot 150.000 Hz; ter vergelijking: een mens neemt geluidsfrequenties waar van 20 Hz tot 20.000 Hz. Hoewel dolfijnen een kleine ooropening hebben aan beide zijden van hun kop neemt men aan dat geluiden onder water ook, zo niet enkel, door de onderkaak worden opgevangen en worden doorgegeven aan het binnenoor middels een met vet gevulde holte in de onderkaak. Wetenschappers vermoeden dat de tanden van een dolfijn zo zijn gerangschikt dat ze werken als een antenne. Zo is een dolfijn in staat om de echo van hun kliks te kunnen interpreteren, waardoor de lokalisering van de prooi wordt vergemakkelijkt. Dolfijnen zijn vermoedelijk gevoelig voor de hoge geluidsintensiteit van bijvoorbeeld sonar, zoals die voor militaire doeleinden wordt gebruikt. Strandingen van dolfijnen worden onder meer daaraan geweten.
De tastzin van een dolfijn is eveneens zeer goed ontwikkeld met vrije zenuwuiteinden dicht op elkaar gepakt in de huid, vooral rond de snuit, op de rugvin en de genitale gleuven is de tastzin van een dolfijn zeer perceptief.
Dolfijnen hebben geen geurzenuw, daarom wordt aangenomen dat dolfijnen geen reukzin hebben. Toch hebben dolfijnen smaakzin en hebben voorkeur voor bepaalde soorten vis. Omdat dolfijnen de meeste tijd onder water doorbrengen, denkt men dat het proeven van water voor de dolfijn een manier is om het ontbreken van reukzin te compenseren.