Cá mập xanh là một loài cá mập đại dương, sống ở tầng nước nổi các vùng biển sâu thuộc ôn đới và nhiệt đới trên toàn thế giới. Độ sâu phổ biến là từ bề mặt tới khoảng 350 mét.[3] Trong các vùng biển ôn đới người ta cũng có thể thấy chúng ở các vùng biển gần bờ, còn ở nhiệt đới thì chúng sống ở những vùng biển sâu. Chúng có mặt trên các vùng biển trải dài từ Na Uy về phía Bắc tới tận Chile. Cá mập xanh được tìm thấy ngoài khơi bờ biển ở tất cả các châu lục, trừ châu Nam Cực. Nhiều nhất là ở Thái Bình Dương, ở khu vực giữa 20 °và 50 °Bắc, nhưng với biến động theo mùa. Trong vùng nhiệt đới, nó có mặt ở giữa 20 °N 20 °S. Nó thích vùng biển mát lạnh với nhiệt độ dao động từ 7-16 °C (45-61 °F), nhưng cũng chịu đựng được nhiệt độ trên 21 °C (70 °F).[4]