Zum Aussterben von O. megalodon gibt es verschiedene Hypothesen. Eine besagt, dass die Entstehung des Isthmus von Panama den Weg zu den warmen Gewässern im westlichen Atlantik blockierte, die O. megalodon als Kinderstube brauchte.
Andere Hypothesen vermuten zu starke Konkurrenz mit anderen Beutegreifern wie Schwertwalen oder Weißen Haien. Schwertwale sind (ähnlich wie O. megalodon) Jäger von großen Walen und stellten daher Konkurrenz für ausgewachsene Tiere dar. Es ist auch möglich, dass große Gruppen von Schwertwalen Jagd auf O. megalodon gemacht haben. Weiße Haie waren möglicherweise Rivalen (oder Jäger) von Jungtieren. Die mögliche Bedeutung des Weißen Hais als Faktor für das Aussterben von O. megalodon wurde in einer Studie aus dem Jahr 2022 untermauert. Hierin ergaben Isotopenanalysen an in den Zähnen beider Arten eingelagertem Zink, dass diese zumindest im Verlauf des Pliozäns ähnliche Nahrungsressourcen nutzten, die sich aus Bartenwalen und eventuell auch Seekühen zusammensetzten. Eine direkte Konkurrenz lässt sich dadurch aber nicht zweifelsfrei belegen, da sowohl O. megalodon als auch der Weiße Hai durchaus unterschiedliche Beutearten bejagt haben könnten.
Eine weitere Hypothese besagt, dass die Beute von O. megalodon ebenfalls eine Rolle gespielt hat. Im Pliozän entwickelten Wale fortgeschrittenere Schwanzflossen und Schwimmmuskeln. Daher ist es möglich, dass O. megalodon sie nicht mehr jagen konnte, weil sie dadurch zu schnell geworden waren. Hinzu kommt noch, dass in dieser Zeit viele Wale in die Polarregionen wanderten, wohin O. megalodon sie nicht verfolgen konnte. Zudem wird vermutet, dass auch die konstante Körpertemperatur unabhängig von den äußeren Bedingungen einen Einfluss auf das Aussterben gespielt haben könnte. Endeothermie ist mit hohen energetischen Kosten verbunden, die in der Regel über die Nahrung gedeckt werden müssen. O. megalodon benötigte aufgrund seiner enormen Körpermasse entsprechend hohe Nahrungsmengen, die die Tiere im Zuge der klimatisch bedingten Umweltveränderungen im Verlauf des Pliozäns eventuell nicht mehr aufbringen konnten.
Es ist sehr wahrscheinlich, dass der Grund für das Aussterben von O. megalodon in einer Kombination mehrerer dieser Faktoren lag. Möglich ist auch, dass die (vermutete) mit der Zeit zunehmende Größe von O. megalodon eine Rolle spielte, weil große Tiere meistens empfindlicher gegenüber Veränderungen in ihrer Umgebung sind als kleinere.
Mutmaßungen im Bereich der Kryptozoologie, dass O. megalodon bis heute in der Tiefsee überlebt habe, sind nicht haltbar, da ein Leben in der Tiefsee Anpassungen an die extremen Bedingungen dort erfordert und O. megalodon Verhalten und Anatomie in kürzester Zeit komplett hätte verändern müssen.
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