鲸鱼分布覆盖全球所有海洋生态系统，其栖息地选择与物种演化密切相关。须鲸类（如蓝鲸、座头鲸）偏好高生产力海域，如南极洲附近的浮游生物密集区，这些区域夏季可提供每日2.4吨的食物摄入量。

齿鲸类（如虎鲸、抹香鲸）则广泛分布于从极地到热带的各个纬度，其中伪虎鲸在北太平洋的分布范围超过7000公里。逆戟鲸等物种展现出极高的环境适应性，既能在北极冰层下捕食海豹，也可在热带海域追踪鱼群。部分鲸类具有季节性迁徙习性，例如灰鲸每年往返于墨西哥繁殖地与北极觅食地，行程达1.6万公里。值得注意的是，深海热泉口附近的抹香鲸种群，演化出了特殊的声呐系统以适应复杂地形。