鲸鱼的外形因种类不同而呈现多样化特征，但总体可分为流线型躯干和特殊器官两大类。须鲸类体型庞大，如蓝鲸背部呈青灰色，腹部白色，体长可达33米，体重超过200吨，是已知最大的动物。其头部约占体长的四分之一，下颌两侧排列着数百片鲸须板，用于过滤浮游生物。座头鲸则以标志性的胸鳍和复杂叫声闻名，其胸鳍长度可达体长的三分之一，背部有明显的驼峰状隆起。
齿鲸类外形更为多样化，虎鲸拥有黑白相间的标志性体色，头部略圆，背鳍高耸，体型可达8-10米。抹香鲸头部巨大，占体长的三分之一，下颌较小且仅下颌有牙齿，身体呈深灰色，潜水能力极强。独角鲸雄性个体左上颚会生长出长达2-3米的螺旋状长牙，是其最显著的特征。此外，白鲸全身洁白，额头隆起，嘴喙短小，在北极海域以群体形式活动。所有鲸鱼均无后肢，前肢演化成鳍状肢，尾部为水平尾鳍，这些特征使其适应了水生生活。