Seres tan enormes sólo se conciben en el mar, pues sólo un medio líquido puede soportar ese cuerpo. Su gran masa y la presencia de una gruesa capa de grasa bajo la piel evitan la pérdida excesiva de calor por irradiación. Al contrario que los peces, los cetáceos son animales de sangre caliente que mantienen constante su temperatura. Consiguen esto mediante una irrigación sanguínea variable de sus distintos órganos, combinada con el enfriamiento que ocasiona el agua. De este modo nunca sufren exceso de frío o de calor.
El potente cuerpo porta delante aletas pectorales, que actúan como timones. En el lomo sobresale a menudo una aleta dorsal sin esqueleto, y en la punta del hocico o de la mandíbula inferior poseen algunos pelos que testimonian su condición de mamíferos.
El cetáceo debe salir periódicamente a la superficie para respirar aire. Las inmersiones normales duran de cinco a quince minutos, pero en caso de necesidad el animal puede permanecer bajo el agua hasta cuarenta minutos. La máxima profundidad de buceo suele ser de 300 metros. El cetáceo expele el aire enrarecido a través de uno o dos orificios contiguos que se abren en la cima de su cabeza, llamados espiráculos. En las zonas polares el chorro de la espiración, visible como vaho, sube hasta seis metros de altura. Inmediatamente vuelve a inhalar aire fresco. En sólo dos segundos la ballena azul expele 2.000 otros de aire y aspira otros tantos en sus pulmones. Esta rapidísima ventilación pulmonar es posible gracias a que los espiráculos se abren súbita y ampliamente, y a que todos los conductos respiratorios, gruesos y finos, están reforzados por anillos cartilaginosos, que evitan toda obturación o angostamiento cuando el animal respira profundamente.
El alimento de las grandes ballenas consiste en enormes cantidades de diminutos crustáceos, lo que se denomina el "kril". La ballena azul usa su boca, poderosa y desdentada, como aparejo de captura. Primero abre las fauces; luego ensancha la cavidad bucal mediante la contracción de los músculos de la garganta y de la parte posterior de la quijada; finalmente aplasta la lengua contra la mandíbula interior. Una enorme masa de agua, cargada de "kril" inunda entonces todo el interior de estas bostezantes fauces. Después los crustáceos son filtrados. Para ello, donde el perro posee crestas en el paladar, la ballena tiene a cada lado 300 o 400 láminas córneas colgantes, cada una de ellas de solo ocho milímetros de espesor. Son las "barbas", que se disponen en densa serie, como de bastidor, y poseen bordes libres desflecados. El animal eleva su pesada lengua apretándola como un mazo contra el paladar, y contrae la garganta. De este modo exprime el agua, que sale por todos los bordes de las mandíbulas, "entras los crustáceos quedan retenidos en las barbas y son finalmente engullidos. No es raro encontrar dos toneladas de "kril" en un estómago de ballena.