מיני הלווייתנאים השונים נפוצים בכל האוקיינוסים שבכדור הארץ. חלק מהמינים שוחים לעתים 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 עד כה כ-15 מינים שונים של לווייתנאים, רובם לווייתני שיניים ממשפחת הדולפיניים ומיעוטם לווייתני שיניים אחרים כגון ראשתן וזיפיוס חלול חרטום ושני לווייתני מזיפות: לווייתן מינקי ולווייתן מצוי. שלושה מינים מצויים בחופי ישראל רק במפרץ אילת: סטנלה ברודה, דולפין 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[8]. כאמור, במהלך הנדידה יכולים הלווייתנאים לעבור מרחקים עצומים; לדוגמה, הלווייתן גדול הסנפיר עובר עד 25,000 קילומטרים מדי שנה ,[9] והלווייתן האפור - עד 22,000 קילומטרים[10].
לא כל האוכלוסיות של מיני לווייתני המזיפות השונים נודדות למרחקים ארוכים, וחלקן נשארות פחות או יותר באותו אזור למשך השנה כולה[10]. 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 לעתים 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. לעתים 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[11] או מסונאר[12] 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, לעתים 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.
