Το οικοσύστημα του Megalodon ήταν ένα από τα πιο διαφορετικά και δυναμικά στην ιστορία της Γης. Το Megalodon ήταν ο αρπακτικός κορυφής της εποχής του, που έτρεχε σε μια μεγάλη ποικιλία θαλάσσιων ζωής. Η διατροφή του πιθανότατα περιελάμβανε φάλαινες, δελφίνια, σφραγίδες, θαλάσσια λιοντάρια, θαλάσσιες χελώνες και ακόμη και άλλους καρχαρίες. Το Megalodon έζησε σε μια ποικιλία οικοτόπων, από ρηχά παράκτια ύδατα έως βαθιά ωκεάνια ύδατα. Βρέθηκε σε όλους τους ωκεανούς του κόσμου, εκτός από την Αρκτική και την Ανταρκτική.
Το megalodon ήταν μέρος ενός σύνθετου ιστού τροφίμων, με πολλά διαφορετικά είδη να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Για παράδειγμα, ο Megalodon ήταν θρυμματισμένος από άλλους καρχαρίες, όπως ο μεγάλος λευκός καρχαρίας και ο Sharpfin Mako Shark. Το Megalodon πιθανότατα παρασιτοποιήθηκε από διάφορους οργανισμούς, όπως οι Lampreys και Worms.
Το Megalodon ήταν ένα σημαντικό μέρος του θαλάσσιου οικοσυστήματος. Η παρουσία του βοήθησε στον έλεγχο των πληθυσμών άλλων θαλάσσιων ζώων και ο θάνατός του πιθανότατα είχε κυματιστή επίδραση σε ολόκληρο τον ιστό τροφίμων. Η εξαφάνιση του Megalodon δεν είναι ακόμα πλήρως κατανοητή, αλλά πιθανότατα οφείλεται σε συνδυασμό παραγόντων, όπως η αλλαγή του κλίματος, ο ανταγωνισμός με άλλους θηρευτές και η υπεραλίευση.