Thú biển phù hợp với lối sống dưới nước rất khác nhau giữa các loài. Cả hai loài thuộc bộ cá voi (cetacean) gồm các loài cá voi, cá heo và họ hàng của chúng và bộ bò biển (sireni) đều có nguồn gốc thủy sinh và do đó là những cư dân sống trong môi trường nước (đại dương) bắt buộc, chúng không thể sống được trên cạn, không thở được trên cạn. Các loài hải cẩu và các loài sư tử biển là những loài thú biển lưỡng cư, chúng dành phần lớn thời gian của chúng để bơi lội và kiếm ăn trong môi trường nước, nhưng cần phải quay trở lại đất liền để thực hiện các hoạt động quan trọng như giao phối, sinh sản và thay lông. Ngược lại, cả các loài rái cá biển và gấu Bắc Cực ít thích nghi hơn với sinh vật dưới nước.

Chế độ ăn uống của chúng thì khác nhau đáng kể giữa các loài thú biển. Một số có thể ăn động vật phù du ở biển, những loài khác có thể ăn các loài cá, mực, sò ốc, cỏ biển và một số ít có thể ăn các động vật có vú khác. Mặc dù số lượng động vật có vú biển thấp so với những loài thú trên cạn, nhưng vai trò của chúng trong các hệ sinh thái khác nhau rất lớn, đặc biệt liên quan đến việc duy trì các hệ sinh thái biển khỏe mạnh, thông qua các quy trình bao gồm việc điều chỉnh, kiểm soát các quần thể con mồi. Vai trò này trong việc duy trì các hệ sinh thái làm chúng trở nên đặc biệt quan tâm vì 23% loài động vật có vú biển đang bị đe doạ.

Động vật có vú biển được những người thổ dân bản địa bắt đầu săn tìm cho nguồn thực phẩm và các nguồn sản phẩm khác. Nhiều loài thú biển cũng là mục tiêu cho ngành công nghiệp thương mại, dẫn đến sự suy giảm mạnh mẽ của tất cả các quần thể loài bị khai thác, như cá voi và hải cẩu. Săn bắt thương mại dẫn đến sự tuyệt chủng của con bò biển Steller và hải cẩu tu sĩ Caribbe, chúng đã hoàn toàn biến mất trên trái đất này. Sau khi săn bắt thương mại kết thúc, một số loài, như cá voi xám và hải cẩu voi miền Bắc đã hồi phục về số lượng, ngược lại, các loài khác, chẳng hạn như cá voi trơn Bắc Đại Tây Dương hiện nay đang bị đe dọa nghiêm trọng.

Khác với việc săn bắn, động vật có vú biển có thể bị giết chết như là đánh bắt cá, nơi chúng bị vướng vào lưới cố định và bị chết đuối hoặc chết đói. Tăng lượng giao thông đường biển gây ra va chạm giữa các tàu biển nhanh và động vật có vú biển lớn. Việc suy thoái môi trường sống cũng đe doạ các loài động vật có vú biển và khả năng tìm kiếm và đánh bắt thức ăn. Ví dụ, ô nhiễm tiếng ồn có thể ảnh hưởng xấu tới các động vật có vú giao tiếp bằng âm thanh, định vị đường di chuyển, và các tác động đang diễn ra của môi trường nóng lên toàn cầu đang làm giảm các môi trường Bắc cực.