毛毛虫主要以植物叶片为食，不同种类的毛毛虫偏好的树叶不同，具有一定的专一性或广泛性。例如，菜粉蝶的幼虫（菜青虫）主要吃十字花科植物的叶片，如白菜、甘蓝、萝卜叶等；柑橘凤蝶的幼虫以柑橘类植物（橘子、柠檬）的叶片为食；天蛾的幼虫多取食茄科（如番茄、烟草）或豆科植物叶片；而毒蛾、枯叶蛾等的幼虫食性较广，可能取食杨树、柳树、榆树、苹果树等多种树木的叶片。

有些毛毛虫还会吃草本植物的叶子，甚至苔藓、地衣。在自然环境中，毛毛虫的食性与其成虫（蝴蝶或蛾子）的产卵选择有关，雌虫会将卵产在幼虫喜食的植物上，确保幼虫孵化后有充足的食物。人工饲养时，需根据毛毛虫的种类提供对应的树叶，以保证其正常生长。