Cá voi xanh thuộc về họ Balaenopteridae, họ này bao gồm cá voi lưng gù, cá voi vây, cá voi Bryde, cá voi Sei và cá voi Minke.[9] Balaenopteridae được tin rằng đã tách ra từ các họ khác của phân bộ Mysticeti khoảng giữa thế Oligocene (28 triệu năm trước).

Cá voi xanh thường được phân loại như một trong tám loài của chi Balaenoptera; một tác giả đặt nó trong một chi đơn loài riêng biệt, Sibbaldus,[18] nhưng không được thừa nhận.[1] Phân tích ADN cho thấy cá voi xanh là họ hàng gần của cá voi Sei (Balaenoptera borealis) và cá voi Bryde (Balaenoptera brydei) hơn các loài Balaenoptera khác, và gần với cá voi lưng gù (Megaptera) và cá voi xám (Eschrichtius) hơn là cá voi Minke (Balaenoptera acutorostrata và Balaenoptera bonaerensis).[19][20]

Có tài liệu về ít nhất 11 trường hợp lai tự nhiên giữa cá voi xanh/cá voi vây. Arnason và Gullberg miêu tả khoảng cách di truyền giữa cá voi xanh và cá voi vây giống khoảng cách giữa người và khỉ đột.[21] Các nhà nghiên cứu ở Fiji tin rằng họ đã chụp được hình một con cá voi lưng gù/cá voi xanh lai.[22]

Miên tả đầu tiên về cá voi xanh đến từ Phalainologia Nova của Robert Sibbald (1694). Vào tháng 9 năm 1692, Sibbald tìm thấy một con cá voi bị mắc cạn ở Firth of Forth—một con đực dài 24 m (78 ft).[23]

Các tác giả chia loài này thành ba phân loài: B. m. musculus, quần thể bắc Đại Tây Dương và bắc Thái Bình Dương, B. m. intermedia, ở Nam Băng Dương, B. m. brevicauda, cá voi xanh lùn được tìm thấy ở Ấn Độ Dương và nam Thái Bình Dương,[24] và B. m. indica, đây là phân loài còn nhiều vấn đề, cũng được tìm thấy ở Ấn Độ Dương, mặc dù B. m. indica được miêu tả sớm hơn, nó có thể đồng nghĩa với B. m. brevicauda.[1]