במקום נחיריים בקדמת החרטום יש ללווייתנאים פתח נשימה בחלק העליון של ראשם. אצל לווייתני השיניים יש פתח נשימה יחיד, ואצל לווייתני המזיפות פתח כפול. פתחי הנשימה נדדו במהלך האבולוציה לחלק העליון של הראש, וכך הלווייתנאים יכולים לעלות ולנשום אוויר תוך כדי שחייה, כאשר גופם וראשם נשארים בתוך המים. כאשר הם שבים מצלילה, הלווייתנאים מזרימים דרך פתח הנשיפה סילון אוויר דל בחמצן ועשיר בפחמן דו-חמצני (תוצר של תהליך הנשימה), אשר במינים גדולים נראה למרחוק. סילון זה מכיל גם אדי מים המתעבים במעבר מטמפרטורת הגוף החמה לאוויר הקר. מיני הלווייתנים השונים נושפים סילונים אלו בצורות שונות מעט, ולכן ניתן לעיתים להסתמך על מאפייני הסילון כדי לזהות מרחוק את מין הלווייתן. בחלק הקדמי של ראשם של לווייתני השיניים מצוי איבר אליפטי בשם מלון המכיל חומר שמנוני המסייע ללווייתנאים בריכוז אלומות גלי הקול שהם פולטים. אצל ראשתן גדול-הראש איבר זה גדול במיוחד, ומכיל חומר יקר-ערך הקרוי סְפֶּרְמָצֶטִי (מילולית "זרע הלווייתן").
מספר השיניים של לווייתני השיניים משתנה בין מין למין, החל מבני משפחת לווייתני המקור, שלזכרים שבהם שתי שיניים בלבד (לנקבות אין שיניים כלל), ועד הדולפיניים שלהם עשרות שיניים בכל חצי לסת, הדומות מאוד זו לזו. לחדשן חט מוארך העשוי להגיע לאורך של שלושה מטרים, ולעיתים מסווג אף הוא כשן. לווייתני מזיפות הם חסרי שיניים, ובמקום זאת פיהם הגדול מכיל שורה של מזיפות קרניות דמויות שיער המסננות את הפלנקטון מהמים. מתחת לעורם של הלווייתנאים רקמה עבה הספוגה בשומן; במינים מסוימים, עובייה של שכבה זו יכול להגיע לחצי מטר. לשכבה זו שלושה תפקידים: בידוד גוף הלווייתן מהמים הקרים, הענקת צורה הידרודינמית שמקלה על התנועה במים, ושימוש כמאגר אנרגטי בפרקי זמן שבהם אספקת המזון דלה. באופן טבעי, עורם של רוב הלווייתנאים חלק (כדי לאפשר תנועה חלקה במים), אולם על גופם של לווייתנאים רבים – ובייחוד לווייתני מזיפות גדולים – חיים טפילים, כגון בלוטי ים וכיני לווייתנים, הגורמים לעור להיראות מחוספס או גבשושי. יוצא דופן בעניין זה הוא ראשתן גדול-הראש, שעורו גבשושי באופן טבעי.
אנטומיה.
האנטומיה של הלווייתנאים תואמת את זו של מרבית היונקים. ההבדלים באנטומיה בינם לבין יונקים יבשתיים נובעים בעיקר מהסביבה הימית בה חיים הלווייתנאים, אולם הם מושפעים גם מגורמים אחרים, כמו הקרבה האבולוציונית של הלווייתנאים למעלי הגירה. עיקרי האנטומיה:
תפוצה ונדידה.
מיני הלווייתנאים השונים נפוצים בכל האוקיינוסים שבכדור הארץ. חלק מהמינים שוחים לעיתים גם לדלתות של נהרות, ומינים מסוימים אף חיים בנהרות עצמם. רק שלושה מינים, המשתייכים לעל-משפחת דולפיני הנהרות, חיים באופן בלעדי במים מתוקים. למינים מסוימים, דוגמת הלווייתן הכחול, הלווייתן גדול-הסנפיר והקטלן תפוצה כלל-עולמית כמעט החופפת גם עם תפוצתם של מיני לווייתנאים אחרים, בעוד שלמינים אחרים תפוצה מוגבלת יותר, דוגמת הלבנתן שנפוץ באזור הקוטב בלבד, או דולפין הנהרות הסיני שחי עד לא מזמן ביאנגצה בלבד, וכנראה נכחד. תפוצתם של חלק מהלווייתנאים מוגבלת לחצי הכדור הצפוני או הדרומי, או לאוקיינוס מסוים. גם בין הלווייתנאים החיים באוקיינוסים, ישנם כאלה המטיבים לצלול לעומקים ומתרחקים מהחופים, וישנם כאלה המעדיפים מים רדודים ואזורים חופיים או מדפי יבשת.
בחופי ישראל נצפו כ-16 מינים שונים של לווייתנאים, רובם לווייתני שיניים ממשפחת הדולפיניים ומיעוטם לווייתני שיניים אחרים כגון ראשתן גדול-ראש וזיפיוס חלול-חרטום ו3 לווייתני מזיפות: לווייתן אפור, לווייתן גוץ ולווייתן מצוי. שלושה מינים מצויים בחופי ישראל רק במפרץ אילת: סטנלה ברודה, דולפינן אנקולי וסטנלה ארוכת-חרטום. עמותת מחמל"י (מרכז חקר, מידע וסיוע ליונקים ימיים בישראל) מחלקת את הלווייתנאים הנראים בחופי ישראל לשלוש קטגוריות: מאכלסים - מינים שביססו אוכלוסייה יציבה באזור; פוקדים - מינים ששוהים לחופי ישראל לתקופה מסוימת, בגלל מזון או סיבות דומות; ותועים - לווייתנאים שאינם מצויים בדרך כלל באזור, והפרטים המתגלים נמצאים בדרך כלל במצב ירוד.
מיני לווייתנאים רבים נוהגים לנדוד בדפוסים קבועים פחות או יותר. לווייתני המזיפות עוברים מרחקים עצומים מדי שנה בעודם נודדים מאזור קו המשווה, שם הם מתרבים, כדי לבלות את האביב ואת הקיץ באזורים קרים יותר, בסביבות קוטב הצפוני או הדרומי. במהלך הנדידה נוטים חלק מהלווייתנאים לשחות לצד החוף, והדבר מאפשר לבני האדם לצפות בהם בקלות. באזורי הקטבים נמצאות באביב ובקיץ כמויות גדולות של פלנקטון (פיטופלנקטון וזואופלנקטון כאחד), ובייחוד סרטנאים זעירים הנקראים קריל, מקור תזונתם העיקרי של לווייתני המזיפות. רבים מלווייתני המזיפות אוכלים רק בעונות אלו, בהיותם באזורי הקטבים, ואילו בחורף הם מתקיימים על מאגרי השומן שצברו. נראה שהלווייתנים מסתמכים, בין השאר, על השדה המגנטי של כדור הארץ כדי למצוא את דרכם במהלך הנדידה. כאמור, במהלך הנדידה יכולים הלווייתנאים לעבור מרחקים עצומים; לדוגמה, הלווייתן גדול-הסנפיר עובר עד 25,000 קילומטרים מדי שנה , והלווייתן האפור - עד 22,000 קילומטרים.
לא כל האוכלוסיות של מיני לווייתני המזיפות השונים נודדות למרחקים ארוכים, וחלקן נשארות פחות או יותר באותו אזור למשך השנה כולה. הגם שהאכילה מתבצעת באזורי הקטבים השופעים פלנקטון, הרי שלעת הסתיו נודדים לווייתני המזיפות לאזורים חמים יותר ומתרבים שם, משום שאקלים זה נוח יותר עבור הגורים הצעירים. לווייתני השיניים אינם מציגים דפוסי נדידה כלשהם, להוציא את הראשתן גדול-הראש, הנודד למרחקים גדולים מקו המשווה. אף על פי כן, חלק ממיני לווייתני השיניים נודדים בצורה לא קבועה בהתאם לעונה, לזמינות המזון, למצבם החברתי וכיוצא בזה. חלק מהלווייתנאים נודדים לבדם או נפגשים מעת לעת עם פרטים אחרים ממינם, ואילו חלקם נודדים בקבוצות או בזוגות.
רוב הלווייתנאים אינם נתונים לאיום משמעותי מצד טורפים, בשל ממדיהם, מהירות שחייתם או אופיים החברתי (השחייה בלהקות גדולות). הטורפים הטבעיים העיקריים של הלווייתנאים הם מיני כרישים שונים הנוטים לתקוף לווייתנאים קטנים, והלווייתן הקטלן (אורקה), שאינו מהסס לצוד מיני לווייתנאים אחרים. עם זאת, גם הקטלן לא יכול לצוד לווייתני מזיפות זכרים בוגרים, והוא בדרך כלל מתמקד בנקבות קטנות, בגורים או בפרטים זקנים. דובי קוטב צדים לעיתים לווייתנאים החיים באזורי מחייתם, דוגמת לבנתנים, וגם ניבתנים עשויים לתקוף לווייתנאים צעירים.
החפת לווייתנים (מלשון חוף) היא תופעה במסגרתה לווייתנאים עולים אל חוף הים ומתים אם אינם מצליחים לחזור למים – כתוצאה מהתייבשות, מחנק הנגרם מכיוון שמשקל הגוף איננו נתמך במים, או מדימום. לעיתים בני אדם מסייעים ללווייתנאים העולים אל החוף בכך שהם מרטיבים את גופם ומנסים להחזירם לים בשעת הגאות. הסיבה לתופעה איננה ידועה, והועלו השערות שונות כהסבר אפשרי – ההסברים העיקריים תולים את העלייה לחוף בפגמים בכושר הניווט של הלווייתנים הנובעים משינויים בשדה המגנטי או מסונאר מעשה ידי אדם. החפות לווייתנאים התרחשו לאורך כל ההיסטוריה האנושית המתועדת, גם כאשר סונאר ומתקנים דומים לא היו בשימוש, אולם בעת העתיקה לא תועדו כלל החפות המוניות אלא רק החפות של פרטים בודדים. לכן נראה שחלק מהחפות הלווייתנאים נובעות מסיבות טבעיות, כגון טעויות ניווט, ציד קרוב מדי לחוף, מזג אוויר קשה, דלקות או חולשה כתוצאה מגיל מבוגר. בשל הלכידות החברתית, לעיתים פרט אחד או יותר הנמצאים במצוקה ועולים לחוף גוררים אחריהם גם את שאר חברי הלהקה, ומסיבה זו ההחפה ההמונית נפוצה פחות אצל לווייתנאים לא חברותיים.
התנהגות ודרך חיים.
שחייה, צלילה ונשימה.
הלווייתנאים מניעים עצמם בעזרת זנבם העשוי רקמת חיבור. אונות הזנב נטולות עצמות, קשיחות למדי ומונעות על ידי ארבע רצועות של שרירים חזקים הנמצאים בבסיס הזנב ובחלקו האחורי של הגוף. צורתו של הזנב (בחתך רוחב, אונות הזנב נראות ככנפי מטוס) מקטינה את החיכוך עם המים ומספקת כוח עילוי חזק עם רכיב בכיוון התנועה, בעת הנעתו לשני הכיוונים. בסיס הזנב משוטח מצד לצד, מה שמקטין גם כן את החיכוך. הזנב מוזז מעלה ומטה (ולא לצדדים, כפי שקורה אצל דגים). הנעת הזנב מערבת את כל החלק האחורי של גוף הלווייתנאי. הסנפיר הגבי, שקיים אצל חלק מהמינים, מכיל גם הוא סיבי רקמת חיבור ומספק יציבות, בדומה לסנפירים הצדיים, שמכילים עצמות. הזרימה הלמינרית (זרימה סדירה בה קווי הזרימה כמעט מקבילים אלו לאלו ובה אין כמעט מערבולות) משופרת על ידי מבנה העור והרקמות שנמצאות מתחתיו. בתגובה ללחצי המים סביבו, עורם הגמיש של הלווייתנאים יכול לפתח באופן זמני אזורים בולטים ושקועים, שימנעו במידה מסוימת את יצירתן של מערבולות בטרם תתפתחנה. בנוסף, העור מכוסה בחומרי סיכה המקטינים את החיכוך. התאים החיצוניים של העור מפרישים טיפות זעירות של שמן, ושכבת התאים החיצונית של העור מוחלפת עד ל-12 פעמים ביום.
ללווייתנאים אוסף התנהגויות מיוחדות המאפיין אותם, בסמוך לפני המים (הערה: התנהגויות אלו עשויות להופיע גם אצל בעלי חיים אחרים, ואין הכוונה שמערכת התנהגויות זו מאפיינת רק את הלווייתנאים). חלק מהמינים אינם מבצעים אף אחת מההתנהגויות הללו, בעוד שהחלק האחר מבצע את חלקן או את כולן בתדירות המשתנה ממין למין. שוני זה עשוי לסייע רבות בזיהוי המין של קבוצת לווייתנאים. להלן חלק מהתנהגויות אלו: