Các dạng cá voi có thể chia thành hai nhóm khác biệt theo kiểu ăn uống. Nhóm 'cá voi có răng' (Odontoceti) như cá nhà táng, cá voi trắng, các loài cá heo, thông thường có nhiều răng, được sử dụng để bắt cá, mực hay các động vật biển khác. Chúng không nhai thức ăn mà nuốt toàn bộ. Trong một số ít trường hợp khi chúng bắt được các con mồi lớn, chẳng hạn khi cá hổ kình (Orcinus orca) bắt được hải cẩu, chúng xé con mồi thành các 'khúc' và nuốt toàn bộ.

Các dạng 'cá voi tấm sừng hàm' (Mysticeti) không có răng, thay vì thế chúng có các tấm làm từ kêratin (tương tự như các chất ở móng tay người) thả rủ xuống từ hàm trên. Các tấm sừng này có vai trò như một bộ lọc khổng lồ, lọc ra các động vật nhỏ (như động vật nhuyễn thể và cá) từ luồng nước biển. Các dạng cá voi trong nhóm này có cá voi xanh, cá voi lưng gù, cá voi đầu cong và cá voi lưng xám.

Không phải mọi loài cá voi của nhóm Mysticeti đều có thức ăn là sinh vật phù du. Các loài cá voi lớn trong nhóm này có xu hướng ăn các dạng cá nhỏ tụ tập thành đàn, như cá trích và cá mòi. Một loài trong nhóm Mysticeti, cá voi xám (Eschrichtius robustus), là động vật ăn ở tầng đáy, chủ yếu săn bắt các loài động vật giáp xác ở đáy biển (tôm, cua).