Loài cá voi lưng gù và những phân loài của cá voi xanh tìm thấy ở Ấn Độ Dương được biết với khả năng tạo ra những âm thanh đặc trưng lặp đi lặp lại ở nhiều tần số khác nhau, mà được gọi là bài hát cá voi. Nhà sinh học biển Philip Clapham đã miêu tả bài hát "có lẽ là phức hợp rắc rối nhất trong thế giới động vật"[7].

Những con cá voi lưng gù đực chỉ "hát" khi ở trong mùa giao phối và vì thế người ta đoán rằng mục đích của những bài hát là giúp cho việc chọn lọc giới tính. Về việc những bài hát là hành động cạnh tranh giữa những con đực đang tìm kiếm đồng loại khác giới, là một công cụ để xác định lãnh thổ hay hành động ve vãn của chúng với người bạn tình, vẫn là một đề tài đang được nghiên cứu. Chúng có thể vừa hát lại vừa hành động như những kẻ hộ tống trực tiếp thân cận với con cái. Tiếng hát cũng được ghi âm lại từ những đàn cá voi đang cạnh tranh bao gồm một con cái và nhiều con đực vây quanh.

Sự quan tâm đến tiếng hát cá voi được mở đầu từ nhà nghiên cứu Roger Payne và Scott McVay, sau khi những bài hát được đưa tới cho họ bởi Frank Watlington, một nhân viên làm việc tại một đài SOFAR của chính phủ Mỹ đặt tại quần đảo Bermuda, có nhiệm vụ lắng nghe vùng biển của Nga từ những máy thủy âm đặt xung quanh bờ biển của quần đảo. Những bài hát theo một kết cấu có thứ bậc rất đặc trưng. Đơn vị cơ bản của một bài hát cá voi (đôi khi được gọi là một "note") là những âm thanh phát ra không ngắt quãng đơn lẻ chỉ kéo dài trong vòng vài giây. Chúng có tần số trải từ 20 Hz to 10 kHz (tần số con người nghe được thường là từ 20 Hz đến 20 kHz). Những đơn vị này có thể được điều tần (nghĩa là độ cao của âm có thể đi lên, đi xuống hoặc giữ nguyên trong suốt cả nốt) hoặc điều biên (âm lượng to hơn hoặc nhỏ hơn). Tuy nhiên sự sắp xếp độ rộng dải tần ở ảnh phổ của bài hát đã cho thấy ở đây bản chất nhịp chủ yếu của những âm thanh điều tần (FM).

Tập hợp của bốn hoặc sáu đơn vị được gọi là một phân tiết nhạc (sub-phrase), diễn ra trong khoảng 10 giây. Hai phân tiết hợp thành một tiết. Một con cá voi sẽ lặp đi lặp lại cùng một tiết nhạc đặc trưng của chúng trong vòng từ hai đến bốn phút. Đó được coi là một giai điệu (theme). Tập hợp những theme gọi là một bài hát, thường kéo dài hơn 30 phút, và sẽ tiếp tục được cá voi hát đi hát lại trong mấy tiếng hoặc suốt cả ngày. Những tầng tầng lớp lớp âm thanh lặp đi lặp lại theo kiểu "búp bê Nga" này đã thu hút sự tưởng tượng của những khoa học gia.

Tất cả những con cá voi cư ngụ cùng một vùng biển (mà có thể rộng bằng cả vùng bồn đại dương) hát những bài hát gần như giống hệt nhau, chỉ khác biệt đôi chút, ở một số mốc thời điểm. Những bài hát này luôn luôn biến đổi chậm chạp qua thời gian. Ví dụ, sau một tháng, một đơn vị đặc biệt khởi đầu là một "upsweep" (tăng theo tần số) có thể chuyển từ từ thành một nốt đều đều. Đơn vị còn lại âm lượng có thể trở nên to hơn. Nhịp độ biến đổi của bài hát của cá voi cũng thay đổi - trong một vài năm bài hát có thể biến đổi hoàn toàn khác, trong khi một số năm khác thì người ta chỉ có thể ghi lại được những biến đổi không đáng kể. Cá voi ở những vùng khác lại hát những bài hát hoàn toàn khác biệt.

Khi bài hát đã biến đổi thì những bài cũ sẽ không được sử dụng lại. Phân tích những bài hát của cá voi trong vòng 19 năm đã cho thấy: trong khi những mẫu bài hát chung có thể bị lệch đi ít nhiều, thì những mẫu cũ không bao giờ được quay trở lại.

Cá voi lưng gù có thể thực hiện những âm thanh độc lập mà không cấu tạo nên bài hát, đặc biệt dùng trong quá trình ve vãn tìm hiểu. Chúng cũng có thể tạo ra loại âm thanh thứ ba gọi là tiếng kêu kiếm ăn (feeding call). Đó là một âm thanh dài (mỗi lần từ 5 đến 10 giây) với tần số gần như không đổi. Cá voi lưng gù thường kiếm ăn bằng cách tụ tập thành bầy, bơi ngay dưới những đàn cá và tất cá cùng lao lên xuyên qua đàn cá và nhảy ra khỏi mặt nước. Trước khi lao lên, chúng thường thực hiện những tiếng kêu. Mục đích chính xác của tiếng kêu này chưa được biết, nhưng nghiên cứu cho thấy rằng những con cá thì lại hiểu ý nghĩa của nó. Khi âm thanh đi tới bầy cá, dù không có con cá voi nào lao lên, thì một nhóm cá trích vẫn phản ứng với âm thanh bằng cách di chuyển ra xa nó.

Một số nhà khoa học cho rằng bài hát cá voi được sử dụng với mục đích định vị[8], tuy nhiên ý kiến này vẫn gây ra những bất đồng[9].