Có hai nhóm phân bố trên Thái Bình Dương: một nhóm với số lượng ít hơn 130 con (theo đánh giá năm 2008[20]) tuyến đường di cư của chúng giữa biển Okhotsk và Hàn Quốc, và một nhóm lớn hơn với số cá thể khoảng 20.000 đến 22.000 con sống ở phía đông Thái Bình Dương và di chuyển giữa các vùng nước ngoài khơi Alaska và Baja California Sur. Nhóm phía tây được IUCN xếp vào nhóm cực kỳ nguy cấp. Không có cá thể cái mới sinh được ghi nhận năm 2010, nên có ít nhất 26 con cái có khả năng sinh theo quan sát từ năm 1995.[20] Ngay cả một số rất nhỏ các con cái chết hàng năm sẽ làm số lượng cá thể của phân nhóm này suy giảm.[21]

Năm 2007, S. Elizabeth Alter sử dụng cá tiếp cận gen để ước tính sự phong phú của thời kỳ trước khi cá voi bị đánh bắt dựa trên các mẫu lấy từ 42 con cá voi xám ở California, và công bố sự biến đổi DNA ở hợp phần di truyền loci với số cá thể 76.000–118.000 con, lớn hơn từ 3 đến 5 lần so với số cá thể trung bình bằng phương pháp thống kê năm 2007.[22] NOAA đã tiến hành nghiên cứu số cá thể mới trong giai đoạn 2010–2011; dữ liệu này đã được công bố năm 2012.[23] Hệ sinh thái biển có thể đã thay đổi kể từ thời kỳ trước khi đánh bắt cá voi, làm cho sự hồi phục của số lượng cá voi trước thời gian bị đánh bắt là không khả thi; nhiều nhà sinh thái biển đã cho rằng số cá thể cá voi xám ở đông Thái Bình Dương xấp xỉ khả năng tiếp nhận số cá thể trong môi trường đó.[24]

Cá voi xám đã tuyệt chủng ở bắc Đại Tây Dương trong thế kỷ 18.[25] Phân tích đồng vị phóng xạ cacbon của các hóa thạch được lấy ở các bờ biển châu Âu (Bỉ, Hà Lan, Thụy Điển, Vương quốc Anh) đã xác nhận điều đó, có thể nguyên nhân do đánh bắt cá voi.[16] Xác định tuổi của các mẫu khác ở thời kỳ La Mã cũng đã đực tìm thấy ở Địa Trung Hải trong khi đào bến cảng cổ Lattara gần Montpellier năm 1997, đã dấy lên câu hỏi liệu các cá thể cá voi xám Đại Tây Dương đã di chuyển lên và xuống bờ biển châu Âu để vào sinh đẻ trong Địa Trung Hải hay không.[26] Tương tự, việc định tuổi cacbon của các mẫu bán hóa thạch bờ biển đông châu Mỹ đã xác nhận cá voi xám đã sinh sống ở đây ít nhất từ thế kỷ 17. Số cá thể này phân bố ít nhất là từ Southampton, New York, đến Jupiter Island, Florida, từ 1675.[15] Trong quyển lịch sử đảo Nantucket từ 1835, Obed Macy đã viết rằng trong các khu vực sinh sống của cá heo 1672 được gọi là "scragg", chúng đã vào cảng và bị giết bởi những người định cư.[27] A. B. Van Deinse chỉ ra rằng "scrag whale", được P. Dudley miêu tả năm 1725 là một trong những loài bị săn bắt ở những người săn cá voi New England trước đây, hầu hết là cá voi xám.[28][29]

Giữa năm 1980, 3 cá thể cá voi xám được nhìn thấy ở phía đông biển Beaufort, nên người ta cho rằng sự phân bố của chúng cách phía đông dãi phân bố hiện hữu lúc đó là 585 kilômét (364 dặm).[30] Tháng 5 năm 2010, một con cá voi xám được nhìn thấy ngoài khơi Địa Trung Hải thuộc Israel.[31] Người ta cho rằng con cá voi này có nguồn gốc từ Thái Bình Dương vào Đại Tây Dương qua hành lang Tây Bắc, vì các tuyến hàng hải thay thế qua kênh đào Panama hoặc Mũi Hảo Vọng không tiếp giáp với lãnh thổ sinh sống của cá voi. Khi băng tan từ từ và sự thu hẹp biển băng Bắc Cực đạt đến đỉnh điểm năm 2007 làm cho tuyến đường Tây-Bắc trở nên thông thoáng hơn[32] Cùng con cá đó đã được thấy lần nữa ngày 30 tháng 5 năm 2010 ngoài khơi bờ biển Barcelona.[33]

Tháng 1 năm 2011, một con cá voi xám được đánh dấu thuộc nhóm phía tây đã được theo dõi là đã di chuyển về phía đông đến dải phân bố của nhóm phía đông ngoài khơi bờ biển British Columbia.[34]