באופן עקרוני, צורת התקשורת העיקרית של הלווייתנאים היא באמצעות השמעת קולות - נקישות, שריקות או פעימות. קולות אלו משמשים הן לתקשורת בין הפרטים, הן להתמצאות בסביבה, והן לאיתור וללכידת מזון. לווייתני השיניים מסוגלים להשתמש באיכון הד (ביסודו של דבר, פליטה של אלומת גלי קול בעלת עוצמה גדולה, טווח תדרים רחב ומשך קצר, המכונה נקישה-Click) על מנת לאתר את הגודל והמרקם של העצמים שלפניהם בצורה מדויקת מאוד. בניגוד לדגים מסוימים כדוגמת הכרישים, חוש הריח של הלווייתנים אינו מפותח. יש לשער, בהתחשב בראות הגרועה של הסביבה הימית ובעובדה שגלי קול עוברים היטב במים, כי חלק מהצלילים שהאוזן האנושית יכולה לשמעם המופקים על ידי הלווייתנאים ממלאים תפקיד בניווט שלהם. כך למשל, ייתכן שגם לווייתני המזיפות מעריכים באמצעות הקולות הרמים שהם מפיקים את עומק המים או מאתרים מכשול גדול הנמצא לפניהם, אם כי אין עדות ישירה לכך שהם משתמשים באיכון הד כפי שעושים זאת לווייתני השיניים. אצל האחרונים מידת המורכבות של הצלילים ושל איכון ההד גבוהה במיוחד, וכך התפתח אצלם אבר המֶלון, המשמש לריכוז ולהכוונת אלומת גלי הקול. איכון ההד מסייע ללווייתנאים בפעילויות נוספות כמו ציד וחיזור. כך למשל, הראשתן גדול-הראש צולל לעומק רב, ושם הוא מאתר את מזונו באמצעות איכון ההד. שיטת הפעולה פשוטה ומזכירה את שיטת חיפוש הטרף של העטלף: הראשתן גדול-הראש משמיע נקישות בקצב קבוע; כשהוא מאתר פריט מזון מסוים, הוא שוחה לעברו ובמקביל מגביר את קצב הנקישות עד לאכילתו. תאוריה אחרת גורסת שנקבות הראשתן גדול-הראש מסוגלות, באמצעות ניתוח הנקישות וההדים שמשמיע זכר, להעריך מרחוק את גודל ראשו, ולהחליט אם ברצונן לפוגשו.
מבחינה אנטומית, הקולות מופקים בנחיר הפנימי, עוברים ברקמת המלון (שם אלומת גלי הקול מתרכזת), ובחזרתם הם נקלטים בגופי שומן בלסתות התחתונות (בשחור באיור), המעבירים אותם לאוזן הפנימית. בשל כך, תפקידן של תעלות השמע של האוזן התיכונה פחוּת ממקבילותיהן ביונקים היבשתיים, ואצל מיני לווייתנאים מסוימים תעלות השמע אף סתומות בחלקן.
התקשורת הקולית בין פרטי הלווייתנאים התפתחה לרמה גבוהה במיוחד בדמות שירת הלווייתן. שירה זו היא אוסף של קולות דמויי שריקה שמפיקים לווייתנאים לשם תקשורת ביניהם. המונח "שירה" נמצא בשימוש במיוחד כשהוא נועד לתאר תבנית צפויה וחוזרת על עצמה של צלילים ארוכים בתדר נמוך, שמשמיעים מינים מסוימים של לווייתנאים (במיוחד לווייתן גדול-סנפיר) בצורה המזכירה לחוקרי הלווייתנאים שירת ציפורים או אף שירה אנושית. כל הלווייתנאים תלויים בצלילים לצורך תקשורת והתמצאות במידה רבה יותר מקרוביהם היבשתיים, משום שמתחת לפני המים הראייה קשה בשל בליעת האור על ידי המים. חסרונו של חוש הראייה בולט בעיקר בנהרות, בית גידולם של דולפיני הנהרות כדוגמת הבאיג'י - העכירות הגבוהה-יחסית הביאה לכך שחוש הראייה יצא משימוש באופן כמעט מוחלט והעיניים התנוונו.
רוב לווייתני המזיפות מפיקים קולות בתחום התדרים של 10 עד 15 הרץ. עם זאת, ביולוגים ימיים מהמכון האוקיינוגרפי "וודס הול" דווחו בכתב העת "ניו סיינטיסט" בדצמבר 2004 כי עקבו במשך 12 שנה אחר לווייתן בצפון האוקיינוס השקט ש"שר" בתדר של 52 Hz. המדענים אינם מסוגלים להסביר כיום את החריגה הדרמטית מהנורמה, עם זאת הם אומרים כי הם בטוחים שהלווייתן היה לווייתן מזיפות. כיוון שהסיכויים שמדובר במין חדש הם קלושים ביותר, מתברר שלמין ידוע של לווייתנים יש תחום תדרים נרחב יותר ממה ששיערו קודם. רוב הלווייתנים האחרים והדולפינים מפיקים צלילים בדרגות משתנות של מורכבות. מקרה מיוחד הוא הלבנתן המפיק מגוון נרחב של שריקות, נקישות ופעימות ולכן יש המכנים אותו "כנרית ים".
מבנה חברתי.
בעוד שחלק מהלווייתנאים, כמו דולפין האמזונאס, חיים בגפם, מינים אחרים פיתחו מבנים חברתיים, פשוטים ומורכבים כאחד. לווייתני המזיפות, למשל, נוטים לחיות בקבוצות קטנות וזמניות, שבהן הקשרים בין הפרטים רופפים: הפרטים עשויים להתקבץ לקבוצה מסוימת ברגע מסוים, וברגע אחר הם יתפזרו או שיתקבצו לקבוצות אחרות. לווייתני השיניים, לעומת זאת, נוטים להציג ארגונים חברתיים מורכבים להפליא, המתקיימים למשך פרקי זמן שונים, גם לאורך שנים. המבנים החברתיים של שלושה מינים: דולפינן מצוי, קטלן וראשתן גדול-ראש נחקרו היטב. שלושת המינים הציגו דגמים חברתיים שונים, כך שלא ניתן למצוא מבנה חברתי המשותף לכל לווייתני השיניים. למשל, בלהקות של כמה מהם עשויים להיות עשרות, מאות ואף אלפי פרטים. הקשרים החברתיים בין לווייתני השיניים הם חזקים ונמשכים זמן רב. חלק מלווייתני השיניים, כמו הקטלנים (אורקות), יוצרים מבנים בהם קיימת היררכיה ברורה. אצל הראשתנים גדולי-הראש ניתן לצפות בסוגים רבים של קבוצות: להקות של אמהות וגוריהן, להקות של זכרים "רווקים", להקות של זכרים בוגרים. הגם שקשרים אלו הם ארוכי טווח, בחיי היום-יום קשרים אלו נזילים ומראים דגם של "פיזור - ליכוד" (Fission - Fusion). לעיתים ניתן לראות לווייתנאים הנעים בקבוצות המכילות פרטים ממינים שונים. דוגמה בולטת לכך היא הקבוצות המעורבבות של המינים לווייתן דלוע-ראש ודולפין פראסר.
המבנה החברתי נוצר בין היתר בעקבות לחצי ברירה אבולוציוניים והוא מספק הגנה לפרטיו. כשאחד הראשתנים גדולי-הראש נפצע, לדוגמה, יקיפו אותו יתר חברי הלהקה במבנה מגונן הקרוי "חרצית" (Marguerite), ויהלמו בזנבותיהם החזקים לבלימת אויביהם (ראו תמונה משמאל). דוגמה נוספת לכך היא הצלילה המתוזמנת שמבצעות נקבות הראשתנים גדולי-הראש כאשר בלהקה נמצא גור: כשאין גורים, הנקבות כולן תצלולנה באותו זמן על מנת למצוא מזון; כאשר נמצא גור אחד או יותר בלהקה, ואמו חייבת לצלול על מנת לאכול, חלק מהנקבות יישאר בסמוך לגורים ולפני המים על מנת לשמור עליהם. הקשרים החברתיים עשויים להניב שיתוף פעולה מוצלח בהשגת מזון. למשל, הקטלנים (אורקות) לעיתים משתפים פעולה בצורה יוצאת דופן. הם מוציאים את פלג גופם העליון מהמים ומאתרים כלבי-ים הנחים על גושי קרח צפים. ברגע שהם מוצאים אחד, קטלן אחד הולם בזנבו וגורם להפלת כלב-הים מגוש הקרח. באותו זמן, קטלן אחר אורב לכלב-הים על מנת לתפוס אותו כשייפול. בנוסף, גם הזכרים עשויים ליצור קשרים או בריתות בינם ובין עצמם, שמטרתם שיפור סיכויי ההזדווגות והאבהות.
רבייה ומחזור חיים.
חלק גדול מטיבם ומטבעם של הלווייתנאים עודנו שרוי במסתורין, בעיקר מהסיבה שאלו בעלי חיים שקשה לחקור וללמוד. מרבית המינים שנחקרו הציגו יחסים פוליאנדריים, פוליגיניים או פוליגיננדריים (ראו ). גודלם הרב של אשכיהם של כמה לווייתנאים (למשל הלווייתן קשות הראש) מלמד על תחרות זרע בין הזכרים (נפח השופכה הגדול שופך החוצה את תכולת הזרע מהזדווגות קודמת) ועל פעולתו של לחץ ברירה. לעיתים, כפי שקורה אצל האובלנה הצפון-אטלנטית, נוהגי החיזור ניתנים לצפייה מפני המים. אצל מין זה, מספר זכרים מתקהלים סביב נקבה אחת ונאבקים על מיקום טוב בפעילות המינית שסביבה. הנקבה עשויה להזדווג עם מספר זכרים ברציפות, ואף עם שניים בו-זמנית .
איברי המין של הזכרים ופטמות הנקבות מוצנעים על מנת לשמור על צורתו ההידרו-דינמית של הגוף. כך, הפין של הזכרים מונח על החלק התחתון של חלל הבטן, לרוב בצורה מפותלת. הוא מוחזק שם על ידי שריר מיוחד, והוא נזקף אל מחוץ לגוף על ידי גדישתו בדם. הפין נייד למדי, והוא משמש לעיתים קרובות כאיבר חישה במגוון של אינטראקציות חברתיות. באופן דומה, גם הפטמות של הנקבות מצויות בתוך שני כיסי עור. מינים מסוימים של לווייתני שיניים, דוגמת הדולפינן, מפגינים התנהגות מינית ביסקסואלית בטבע ובשבייה כאחד.
מצגי החיזור של הלווייתנאים מורכבים ומרשימים, וכוללים לרוב השמעת קולות והצגת מפגנים אקרובטיים. בחלק מהמינים, לאחר החיזור הזכר והנקבה שוחים יחדיו במשך שעות רבות ואף ימים, במהלכם הם יגעו זה בזה וילטפו זה את זה. ההזדווגות נעשית בטן אל בטן, אופקית או אנכית, והיא קצרה מאוד - לא יותר מ-20 שניות. הנקבה ממליטה גור אחד מדי שנה אחת עד שש שנים, לאחר 8 עד 17 חודשי היריון. המלטת הגורים נעשית לרוב בעונה החמה. הגורים נולדים ב"לידת עכוז" או "לידת זנב" (הזנב יוצא ראשון), כאשר חור הנשימה (Blowhole) יוצא אחרון, כנראה על מנת למנוע שאיפת מים עם היציאה למים. על הגורים לעלות אל פני המים על מנת לנשום את נשימתם הראשונה (לעיתים בסיוע האם או נקבות אחרות) ולשחות מהרגע הראשון לאחר לידתם. על פי רוב, גורי הלווייתנים גדולים יותר יחסית לאמם בהשוואה ליונקי היבשה. לעובדה זו תפקיד חשוב בשמירה על חום גופו של הגור, שכן ככל שנפח גופו של הפרט גדל, היחס בין שטח הפנים לנפח קטֵן, וכך איבוד החום לסביבה קטן.