Cá voi xanh sống ở tất cả các đại dương trên toàn cầu. Chúng di cư và di chuyển những khoảng cách xa vào những thời điểm khác nhau trong cuộc đời. Ba khu vực chính nơi cá voi xanh được tìm thấy là Bắc Đại Tây Dương, Bắc Thái Bình Dương và Nam bán cầu.
Cá voi xanh được tìm thấy ở mọi đại dương trên thế giới và bơi từ vùng biển cực đến xích đạo trong năm. Vào mùa đông, cá voi xanh được tìm thấy gần Xích đạo, ở những vùng nước ấm hơn. Ở đó, chúng sinh sản và sinh nở. Các vùng nước ấm hơn của vùng nhiệt đới là nơi tốt hơn để giao phối và chăm sóc bê non so với các vùng biển lạnh hơn, vùng cực.
Vào mùa hè, cá voi xanh thực hiện một chuyến di cư dài ngày đến các vùng cực. Chúng kiếm ăn và chuẩn bị cho cuộc di cư trở lại vùng biển xích đạo vào cuối năm. Các chuyến di cư và cuộc sống của chúng nói chung được tiến hành theo nhóm hoặc cặp giống nhau, nhưng những loài động vật có vú khổng lồ này thường đơn độc.
Hầu hết cá voi tìm kiếm nước ấm hơn hoặc mát hơn trong khu vực chúng sinh sống. Ví dụ, một con cá voi xanh ở Thái Bình Dương sẽ ở lại Thái Bình Dương trong quá trình di cư của nó.
Các nhóm cá voi xanh khác biệt được tìm thấy ở một số địa điểm trên thế giới. Biển Cortez, Vịnh St. Lawrence, Ấn Độ Dương và các khu vực ngoài khơi California có những đàn cá voi cư trú ở đó. Những quần thể này là đặc trưng cho những vùng đó.
