A、浮在水面上铁球的密度一定小于水的密度，则该铁球一定是空心的，故A正确；
B、沉在水底铁球的密度一定大于水的密度，则该铁球可以是实心的，也可以是空心的，故B正确；
CD、浮在水中铁球的密度等于水的密度，则该铁球一定是空心的，故C不正确、D正确．
故选C．