Keďže veľryby patria medzi cicavce, potrebujú ku svojmu životu dýchať vzduch. Kvôli tomu potrebujú vyplávať na hladinu, vydýchnuť oxid uhličitý a nadýchnuť sa čerstvého vzduchu. Prirodzene nemôžu dýchať pod vodou, takže keď sa potopia, tak svalový sťah uzavrie dýchacie otvory (nozdry), ktoré zostanú uzavreté pokiaľ sa znovu nevynoria na hladinu. Keď nozdry otvoria, tak vyfúknu teplý vzduch.
Aby sa im to robilo ľahšie majú veľryby nozdry na vrchole hlavy, čo im dáva možnosť rýchlejšie vydýchnuť vzduch a nadýchnuť čerstvý. Starý vzduch, zahriaty z pľúc, sa pri výdychu zráža a vyparuje sa hneď ako sa stretne s vonkajším chladným ovzduším. Je to podobné ako keď počas chladného dňa vydýchneme obláčik pary. Tento proces poznáme ako výtrysk. U každej veľryby je toto vydýchnutie odlišné a to buď tvarom, výškou a alebo uhlom. Skúsený veľrybár, alebo pozorovateľ je schopný podľa tohto výfuku určiť na diaľku druh veľryby.
Ako ľudia môžeme len žasnúť nad majstrovskými schopnosťami veľrýb a delfínov v plávaní a potápaní. Fyziologické a anatomické vlastnosti umožňujú veľrybám potápať sa na dlhší čas. V porovnaní s nepotápajúcimi sa cicavcami majú veľryby väčšiu schopnosť transportovať kyslík cez pľúcne membrány a vyššie percento buniek prenášajúcich kyslík v krvi. Počas dlhších ponorov, aby sa šetril kyslík, sa zníži ich srdcová frekvencia a periférny prietok krvi. Ich svaly obsahujú myoglobín, látku, ktorá sa spája s kyslíkom, čo umožňuje jeho ukladanie vo svaloch.
Malé oči majú veľryby posadené vzadu na každej strane ich obrovitej hlavy. Dôsledkom čoho je, že veľryby s ostrým „zobákom“ (napríklad delfíny) majú dobré binokulárne videnie ako dopredu tak aj dole, iné druhy s tupou hlavou (napríklad vorvaňovité) vidia na obidve strany, ale nikdy priamo pred alebo za seba. Oči pokrývajú mazľavé slzy, ktoré ich chránia pred soľou. Veľryby majú zrejme dobrý zrak a to ako nad tak aj pod hladinou.
Podobne ako oči aj uši veľrýb sú malé. Život v mori spôsobil stratu ušného laloka, ktorý slúži na usmerňovanie zvukového vlnenia a na zosilňovanie signálov. Pretože zvuk sa vo vode šíri rýchlejšie ako vo vzduchu, vonkajšie ucho nebolo potrebné a bolo zredukované na maličkú dierku v koži, tesne za okom. Vnútorné ucho sa ale natoľko vyvinulo, že veľryby vedia nielen počuť zvuky desiatky kilometrov vzdialené, ale dokonca dokážu určiť z ktorého smeru zvuk vychádza.
Modré veľryby a veľryby vydávajú zvuky s veľmi nízkou frekvenciou, často pod hranicou ľudského sluchu, nazývané infrazvukové zvuky. Infrazvukové zvuky, ktoré produkuje veľryba, boli zaznamenané na vzdialenosť viac ako 3 000 míľ, zistiteľné špeciálnymi prístrojmi. Naproti tomu veľryby belugy sa nazývajú morskými kanárikami pre ich „spev podobný vtákom“.
Veľryby používajú zvuk podobne ako netopiere, vysielajú zvuk, ktorý sa odrazí od objektu a vráti sa k nim. Z toho dokážu rozpoznať veľkosť, tvar, povrchové vlastnosti a pohyb objektu, rovnako aj vzdialenosť od objektu. Vďaka tejto vlastnosti sú veľryby schopné vyhľadať, prenasledovať a chytiť rýchle plavajúcu obeť v absolútnej tme. Je to tak vyvinutá vlastnosť, že pomocou nej dokážu rozlíšiť potencionálnu obeť od lode. Veľryby sú schopné v zajatí naučiť sa rozlišovať napríklad loptičky rôznych farieb, veľkostí a tvarov.