מהירות השחייה של הלווייתנאים שונה ממין למין ומסוג פעילות למשנהו. הלווייתנאים הגדולים שוחים על-פי רוב במהירות נמוכה: כארבעה עד תשעה קילומטרים בשעה. ביכולתם לשחות במהירות גבוהה יותר, אולם רק למשך זמן קצר: כך לדוגמה, הלווייתן הכחול מסוגל לשחות במהירות של כ-40 קמ"ש במשך דקות ספורות. הדולפינים, לעומת זאת, משייטים במהירות ממוצעת של 15 - 22 קמ"ש. גם הם מסוגלים לשחות במהירות של 40 קמ"ש, אולם למשך זמן ארוך יותר מהלווייתנים הגדולים.
לפני שהם צוללים, הלווייתנאים עולים לפני המים, נושמים וממלאים את ריאותיהם באוויר. בתוך פתח הנשימה של לווייתני שיניים מצויים "שסתומי אף" (Nasal plugs) אטומים למים, הנפתחים ונסגרים בעזרת כיווץ שריריים רצוניים (תהליך הנשימה של הלווייתנאים אינו רפלקסיבי). הריאות יעילות מאוד בהעברת חמצן מהאוויר לדם, ובצלילות שעומקן עולה על 100 מטרים הריאות קורסות כמעט לחלוטין. רוב החמצן המיועד לצלילה מאוחסן בדם ובשרירים, שם נחיצותו גבוהה. דמם של הלווייתנאים עשיר בהמוגלובין, שנושא את החמצן לגופו ולמוחו של הלווייתן. שריריו, לעומת זאת, עשירים במיוגלובין, שהוא חלבון שנקשר לחמצן ומאחסן אותו בשרירים לצורכי חילוף חומרים מקומי במהלך הצלילה. המיוגלובין הוא שמעניק לבשר הלווייתנאים את צבעו הכהה; הראשתן גדול-הראש מסוגל לצלול לעומק רב ולמשך זמן ארוך, בין היתר בעקבות ריכוז גבוה במיוחד של מיוגלובין בשריריו, ולכן צבע שריריו כמעט שחור.
בנוסף, ללווייתנאים רשתות מיוחדות של כלי דם שנקראות "רשתות מופלאות" (Retia mirabilia). רשתות מורכבות אלו מכילות כלי דם מעוקמים ומפותלים. כלי הדם הללו יוצרים גושים צפופים של רקמות הובלה (רקמות ווסקולריות; Vascular tissue) בדופן הפנימי של חלל החזה בסמוך לעמוד השדרה, וכן באזורים אחרים. מספר תאוריות הועלו באשר לתפקידה של הרשת המופלאה: מלכודת עבור החנקן שמבעבע מחוץ לדם בזמן עלייה לפני המים מצלילות עמוקות; וסת-נפח הממתן שינויי לחץ בבית החזה כאשר לחץ המים משתנה (בזמן צלילה או חזרה לפני המים); עתודות זמניות של דם רווי בחמצן שנועדו למוח, ואף וסת של טמפרטורת הדם.
בזמן מנוחה, הלווייתנאים שואפים ונושפים אוויר כארבע פעמים בדקה לערך. לשם השוואה, בני האדם נושמים כ-15 פעמים בדקה בזמן מנוחה. ריאותיהם של הלווייתנאים קורסות בזמן צלילה, וכך האוויר נדחס לתוך קנה הנשימה הלא-חדיר לגזים, ובכך כמות החנקן שעוברת לדם קטנה משמעותית. התאמה זו חיונית, שכן רמות גבוהות של חנקן בדם עלולות לגרום למחלת האמודאים (מחלה הנגרמת כתוצאה מבועות חנקן הנוצרות בעקבות מעבר מהיר מלחץ אטמוספירי גבוה לנמוך; Decompression sickness) בזמן עלייה לפני המים. בזמן הנשיפה, אחוז החמצן באוויר הננשף יכול להגיע ל-1.5%, שהוא שיעור נמוך לעומת אחוז החמצן באוויר (כ-20%). בנשימה אחת, הלווייתן מחליף אחוז גבוה מאוד מנפח הריאות שלו באוויר חדש (אוורור), פי שלושה עד ארבעה מ-15 האחוזים אצל האדם. בכל נשיפת אוויר, כאמור, נפלט סילון של אדים.
כיוון שהלווייתנאים חיים בסביבת מחיה חשופה שבה הסכנה עשויה לבוא מכל כיוון, גם מלמעלה או מלמטה, וכיוון שהם חייבים לנשום גם בזמן השינה, הם פיתחו אדפטציה מיוחדת לצורך כך: בזמן השינה, חצי ממוחם ישן, בעוד שחציו השני ער. החצאים "מתחלפים" תוך כדי השינה על מנת שכל חלקי המוח יזכו למנוחה. אדפטציה זו נותנת מענה לצורך נוסף: אם הלווייתנאים לא היו זזים במהלך השינה, איבוד החום שלהם היה רב מדי - שכן ייצור החום יורד כשהגוף לא בתנועה. לכן, שנתם של הלווייתנאים נעשית בתנועה המנווטת על ידי אונה אחת בלבד של המוח.
אספקת הדם של הלווייתנאים מותאמת לחיסכון בצריכת חמצן בעת הצלילה, וכן לטמפרטורות הנמוכות שבימים הקרים ובמעמקים: במהלך צלילות ממושכות, קצב לבם של הלווייתנאים יורד משמעותית (ברדיקרדיה), וזרימת הדם מוגבלת לכל האיברים, למעט הלב, המוח והשלייה. בשילוב עם העובדה שאספקת הדם לשכבת השומן העבה של הלווייתנאים נמוכה מאוד, איבוד חום הגוף שלהם יורד משמעותית. כלי הדם בעור מתכווצים גם הם, וכך איבוד החום לסביבה פוחת עוד יותר.
תזונה.
הלווייתנאים כולם הם טורפים הניזונים מיצורים חיים, אך רובם - למעט הקטלן והראשתן גדול-הראש - מתקיימים על בעלי-חיים קטנים יחסית. קיימים הבדלים משמעותיים בין מאפייני התזונה של לווייתני השיניים ושל לווייתני המזיפות – הבדלים הנובעים מההסתגלויות (אדפטציות) ההתנהגותיות והגופניות של בעלי חיים אלה. לווייתני השיניים, שהם בעלי שיניים חדות, צדים את טרפם הכולל בדרך כלל דגים בממדים שונים וכן רכיכות דוגמת דיונונים. לווייתני המזיפות, לעומת זאת, הם חסרי שיניים, ובמקום זאת יש להם מזיפות ארוכות ומנוצות, דרכן הם מסננים יצורים קטנים. חרף ממדיהם הגדולים, לווייתנאי המזיפות ניזונים בעיקר מסרטנאים זעירים המכונים פלנקטון, אך למרות זאת הם לא יהססו לאכול גם דגים קטנים או דיונונים המתלהקים בלהקות. מרבית לווייתני השיניים משתמשים באיכון הד למציאת טרפם.
התגלה כי בפיהם של סוגים מסוימים של לווייתני מזיפות ישנו איבר מיוחד - פקק לוע - הסוגר על הקנה והוושט בשעת הסתערות אכילה והצפת הפה במים. כשהלווייתן מוכן לבלוע, הפקק נע כלפי מעלה ומגן על דרכי הנשימה העליונות. באותה עת נסגר הלוע ואוטם את הקנה. כך מתאפשר מעבר המזון רק אל הוושט.
לווייתני המזיפות שוחים אל אזורים העשירים בפלנקטון או בדגים קטנים, פוערים את פיהם ושוחים או גחים דרך מצבורי הפלנקטון. כתוצאה מכך הם גומעים לחלל הפה כמויות גדולות של מי-ים, יחד עם כמות לא קטנה של פלנקטון. לאחר מכן, הם סוגרים את פיהם ובעזרת שרירי הלוע והלשון דוחפים את המים, והמזיפות משמשות להן כמסננת שמי-הים יוצאים דרכה החוצה, ואילו הפלנקטון נשאר בפה ונבלע. ציד הפלנקטון עשוי להתבצע קרוב לפני המים, בעומק הים, ואצל מינים מסוימים – דוגמת הלווייתן האפור – אף על קרקעית הים. הודות לאינטליגנציה שלהם, פיתחו חלק ממיני הלווייתנאים שיטות ייחודיות לתפיסת טרפם, המסתמכות על כישוריהם הגופניים ועל שיתוף-פעולה בין חברי הלהקה. על הפלנקטון והדגים שאוכלים לווייתני המזיפות לענות על כמה דרישות: הם צריכים להימצא במספרים ובריכוזים גדולים מספיק כך שיספקו את רעבו של הלווייתן (פרט בוגר אוכל עד מיליונים מדי יום); הם צריכים להיות גדולים מספיק כדי לא לעבור דרך המזיפות אל הים יחד עם המים; והם צריכים להיות קטנים מספיק כך שלא תהיה להם המהירות הנדרשת לבריחה.
כך, לדוגמה, הלווייתן גדול-הסנפיר ומינים נוספים של לווייתנאים מסוגלים ללכוד כמויות גדולות של דגים בעזרת "רשת בועות" שהם יוצרים במים. קבוצת לווייתנים יורדת אל מתחת למים ונושפת אוויר שגורם להיווצרות מסך בועות, מה שיוצר מעין מחסום חזותי עבור הדגים. לאחר מכן היא שוחה לעבר הטרף, ובו-בזמן לווייתן או קבוצת לווייתנים אחרת מפיקים צלילים גבוהים שמאיצים בדגים לשחות לעבר המחסום. קולות רמים אלה מושמעים לרגעים ספורים בתדירות כמעט קבועה. כאשר מסך הבועות הגלילי נסגר סביב להקת הדגים, הלווייתנים השוחים מתחת ללהקה מזנקים יחד במאונך דרך הדגים ומחוץ למים, ובולעים כמויות גדולות של דגים או סרטנאים בפעם אחת. מיני דולפינים מסוימים, דוגמת הסוסא הגיבן ("Sousa chinensis") או הדולפינן, מסתמכים אף הם על שיתוף פעולה בעת הציד: קבוצת דולפינים מאתרת קבוצת דגים באזורי מים רדודים, ואז הודפת אותם יחד עד לחוף ואוכלת אותם. בשיטת תקיפה זו יש סיכון, משום שהלווייתנאים עלולים להיתקע על גדת הנהר. גם הקטלן משתמש בשיטה דומה, והוא עולה כמעט בכל גופו על חוף הים על מנת לתפוס טורפים ימיים שונים – בייחוד כלבי ים.
לווייתני השיניים, שרובם (מלבד יוצאי דופן דוגמת הראשתן גדול-הראש או הקטלן) אינם גדולים כמו לווייתני המזיפות, ניזונים במשך כל השנה כולה. תזונתם של לווייתני המזיפות, לעומת זאת, מתבססת בעיקר על ריכוזי פלנקטון המצוי באביב ובקיץ בכמויות גדולות באזורים הקרים יותר של כדור הארץ – בעיקר סמוך לקטבים. כיוון שכך, מרבית לווייתני המזיפות מבצעים נדידה שנתית בין שדות-טרף סמוך לקוטב הצפוני או הדרומי ובין אזורי הרבייה הסמוכים יותר לקו המשווה. בעת שהותם בשדות הטרף הם בונים מאגרי שומן גדולים מתחת לעורם, ובחורף הם מסתמכים בעיקר על מאגרי-שומן אלו וכמעט שאינם אוכלים. מובן שלגורים הצעירים הנולדים באזורים החמים יותר (ולא צברו שומן באזורי הקטבים) אין הדבר מהווה בעיה, משום שכשאר היונקים הם ניזונים מחלב אמם. כיוון שלווייתני המזיפות הם בעלי-חיים גדולים מאוד, עליהם לצרוך כמויות נכבדות של פלנקטון על-מנת לשרוד. כך, לדוגמה, הלווייתן המצוי יכול לצרוך כ-1,800 קילוגרמים של מזון ביום; הלווייתן הצפוני – כ-900 קילוגרמים; והלווייתן הכחול – הגדול שבמיני הלווייתנים – כ-3,600 קילוגרמים. בהתחשב בממדיהם הזעירים של הפלנקטון, פירוש הדבר שלווייתני המזיפות אוכלים מספר פרטים עצום של פלנקטון מדי יום.
תקשורת והתמצאות.