Cá voi xanh phân bố trên toàn thế giới và có thể được tìm thấy ở tất cả các đại dương trên thế giới. Chúng di chuyển nhiều, kiếm ăn nhiều ở vùng nước mát và di cư đến vùng nước ấm để sinh sản và sinh con.
Cá voi xanh đã bị loại khỏi Nam bán cầu trong những ngày săn bắn không hạn chế, nhưng, kể từ năm 2014, chúng có thể được tìm thấy ở mọi đại dương, mặc dù với số lượng ít hơn nhiều. Các khu vực gần bãi săn trước đây, chẳng hạn như ngoài khơi Nhật Bản, không có cá voi. Các quần thể ngày nay có xu hướng ổn định hoặc, trong trường hợp cá voi được tìm thấy ngoài khơi Iceland và bắc California, tăng chậm. Ấn Độ Dương là nơi sinh sống của một loài phụ được gọi là cá voi xanh lùn.
