Theo trang web của tạp chí Discovery, trí thông minh của động vật là một chủ đề mang tính chủ quan cao, thường gây ra nhiều tranh luận. Cá heo nhiều lần được xem là một trong những loài thông minh nhất trên Trái đất.
Những loài này sở hữu khả năng ngôn ngữ phát triển cao và có thể học các trò phức tạp để biểu diễn trên truyền hình. Cá heo đã phục vụ trong Hải quân Hoa Kỳ, và một số người tin rằng chúng thậm chí có thể phát hiện khối u, dù khoa học chưa chứng minh được điều đó. "Chúng có văn hóa riêng, biết sử dụng công cụ và có xã hội phức tạp", Lori Marino, một nhà thần kinh học và giám đốc tổ chức "Whale Sanctuary Project" nói. Bà đã nghiên cứu não bộ và trí thông minh của cá heo trong 30 năm. "Những loài động vật này rất giống chúng ta, từ cấu trúc xã hội phức tạp, các kiểu hành vi cho đến nhận thức về bản thân".
Điều gì khiến nhiều người tin rằng cá heo là loài thông minh thứ hai? Câu trả lời nằm ở tỷ lệ kích thước não của chúng.Viện Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Hoa Kỳ tại thành phố New York cho biết rằng cá nhà táng có thể có thể tích não lớn nhất trong các loài sinh vật trên Trái đất, lên tới 20 pound (khoảng 9 kilogram). Tuy nhiên, những động vật biển khổng lồ này cần sức mạnh tính toán lớn hơn để thực hiện các nhiệm vụ cơ bản như di chuyển. Hans Thewissen, một giáo sư tại Đại học Y khoa Đông Bắc Ohio, người nghiên cứu sự tiến hóa của các loài cá voi, cho rằng tổ tiên của cá heo hiện đại bắt đầu phát triển não lớn hơn từ tổ tiên của tất cả các loài cá voi và cá heo trong thời kỳ Eocene (kết thúc khoảng 33 triệu năm trước). Một bước nhảy vọt khác diễn ra vào khoảng 27 triệu năm trước ở cá heo nguyên thủy, tổ tiên của cá heo hiện đại, cá heo chuột và cá heo sông baiji. Tuy nhiên, kích thước não không phải là yếu tố duy nhất để đánh giá trí thông minh. Thewissen tin rằng bước nhảy này ở cá heo nguyên thủy và các loài cá voi khác có thể một phần xảy ra khi tổ tiên của chúng phát triển khả năng sử dụng định vị bằng âm thanh để săn mồi.
Học về cá heo đôi khi đòi hỏi phải hiểu cách chúng ta suy nghĩ. "Chúng ta đã biết rằng chúng thông minh từ hàng nghìn năm nay", Marino nói, bà cho biết thêm rằng những quan sát về sự tò mò của chúng đã được ghi nhận ít nhất từ thời Hy Lạp cổ đại. Nỗ lực khoa học nghiêm túc đầu tiên nhằm đánh giá trí thông minh của cá heo được thực hiện bởi John Lilly vào những năm 1950 và 1960, người đã nghiên cứu các tiếng kêu của cá heo mũi chai. Công trình của Lilly đặt nền móng cho việc nghiên cứu não và trí thông minh của cá heo. Marino nói rằng vấn đề là đạo đức đáng ngờ trong một số thí nghiệm của ông đã làm lu mờ công trình này và dẫn đến việc thiếu sự nghiên cứu nghiêm túc về trí thông minh của cá heo trong nhiều năm. Lilly là một nhân vật trong phong trào phản văn hóa, người đã thử nghiệm với các loại thuốc gây ảo giác. Những thí nghiệm này mở rộng đến nghiên cứu về động vật biển có vú, và trong nỗ lực giao tiếp với cá heo, ông bắt đầu tiêm LSD cho chúng. Cuối cùng, các nhà nghiên cứu lại tiếp tục nghiên cứu trí thông minh của cá heo. Một nghiên cứu năm 2001 do Marino công bố đã chứng minh rằng cá heo có thể nhận ra chính mình trong gương. Bà và các đồng nghiệp đã đánh dấu các vị trí khác nhau trên cơ thể cá heo và sau đó quan sát cách chúng nhìn vào những vị trí đó trong các gương đặt trong bể nuôi của chúng. Chỉ một số ít động vật khác, như tinh tinh, mới thể hiện loại tự nhận thức này. "Đây là lần đầu tiên người ta chứng minh rằng cá voi và cá heo có khả năng này, điều mà trước đây người ta cho rằng chỉ có con người và họ hàng gần của chúng ta mới có", bà nói. "Hầu hết các loài động vật không làm được điều này".
Các nghiên cứu khác cho thấy rằng cá heo có thể được dạy để hiểu các ký hiệu do con người tạo ra, thậm chí cả các câu lệnh như "đưa quả bóng vào vòng". "Chúng hiểu ngữ pháp", Marino nói. "Chúng biết rằng 'đặt vòng lên bóng' khác với 'đặt bóng vào vòng'. "Nhưng vấn đề với nhiều thử nghiệm này là chúng được tiến hành trong môi trường nuôi nhốt. Cũng giống như một số người bị ám ảnh bởi việc hiểu trí thông minh của cá heo, những người khác lại cố gắng khai thác trí thông minh này, dù là trong các buổi biểu diễn cá heo tại thủy cung hay các chương trình truyền hình. Môi trường nuôi nhốt không thực sự phản ánh cách cá heo tiến hóa và phát triển. Nghiên cứu cá heo thông qua các bài kiểm tra nhân tạo trong phòng thí nghiệm có thể không phản ánh đúng cách cá heo vượt trội về mặt tinh thần so với điều kiện tự nhiên của chúng. Do đó, Marino đã bắt đầu tránh xa việc thử nghiệm với cá heo trong điều kiện nuôi nhốt. "Hiện nay, rất nhiều công trình thú vị đang được thực hiện trong tự nhiên", bà nói. Dù việc hiểu hành vi của chúng trong tự nhiên phức tạp hơn nhiều, các nhà nghiên cứu vẫn tìm thấy vô số hành vi thông minh ở các loài cá voi và cá heo.
Cá heo mũi chai dọc theo bờ biển phía Tây Australia đã được quan sát sử dụng bọt biển làm công cụ để bảo vệ mõm và có thể tìm cá trong cát dưới đáy biển. Một số loài cá voi và cá heo sử dụng lưới bùn để bao quanh cá, và cá heo ở Brazil đã học cách hợp tác với ngư dân ở miền Nam Brazil để bắt cá. Bỏ qua những thí nghiệm ảo giác, các nghiên cứu thực địa thậm chí còn cho thấy một số cá heo có những thói quen rất giống con người. Không rõ liệu điều này có phải là cố ý hay chỉ là thói quen, nhưng các quan sát cho thấy cá heo sẽ chạm vào cá nóc, rơi vào trạng thái mê mẩn giống như bị ngộ độc, có thể là hấp thụ các chất độc thần kinh mạnh từ cá nóc.