它们的体型巨大，从只有几米长的豚鲸到长达30多米、重达190吨的蓝鲸不等。蓝鲸不仅是鲸鱼中体型最大的，也是地球上现存最大的动物。
鲸鱼的身体呈流线型，头部较大，尾部呈三角形，这种身体结构有助于它们在水中高效地游动。它们的皮肤很厚，表面有许多皱褶和疣状突起，有些种类的鲸鱼身上还有特殊的花纹或斑点。鲸鱼的骨骼也比较特殊，前肢演化为鳍状结构，后肢则完全退化。鲸鱼的颈椎非常灵活，可以在水中自由转动头部。