不可想像的是，這種龐然大物竟然是以鱗蝦這種體長還不到1厘米的小型甲殼動物為主要食物的，此外還有鱗魚、毛鱗魚、玉筋魚和其他小型魚類等。它的嘴張開時，其特殊的彈性韌帶能夠使下齶暫時脫落，形成超過90度的角度，口的橫徑可達到4.5米，可以一口吞下大量的磷蝦或較小的魚類，但其食道的直徑則顯得太小，不能吞下較大的食物，這可能就是它隻能吃小動物的原因之一。由於越冬期間好幾個月都不進食，為了維持那碩大無比的身軀所需要的體能，在夏季裏便要吃大量的食物，常常可以連續吃上18個小時。由於日照充足，北方冰川地帶的海灣裏浮遊生物大量滋生，養育了以浮遊動物為食的鱗蝦，數量巨大，常常數百萬隻群集在一起，因此為座頭鯨提供了極為豐盛的食物來源。
座頭鯨進食的方法也很奇妙，首先是衝刺式進食法，將下齶張得很大，側著或仰著身子朝蝦群衝過去，然後把嘴閉上，下齶下邊的折皺張開，吞進大量的水和蝦，最後將水排除出去，把蝦吞食；第二種方法叫轟趕式進食法，將尾巴向前彈，把蝦趕向張開的大嘴，這種方法也是隻有當蝦特別密集時才適用；第三種方法是從大約15米深處作螺旋形姿勢向上遊動，並吐出許多大小不等的氣泡，使最後吐出的氣泡與第一個吐出的氣泡同時上升到水麵，形成了一種圓柱形或管形的氣泡網，像一隻巨大的海中蜘蛛編結成的蜘網一樣，把獵物緊緊地包圍起來，並逼向網的中心，它便在氣泡圈內幾乎直立地張開大嘴，吞下網集的獵物。這種捕食方法，同捕魚者用兩隻漁船拉曳大型漁網，逐漸迫使魚蝦接近水麵，然後一網打盡的情景一樣。當獵物數量稀少時，座頭鯨常常單獨或僅有2隻～3隻在一起覓食，而當獵物數量很多時，便形成8隻左右的較大群體，有時不同群體之間還會互相爭食。因此，有時食物的多少、分布和種類，也會直接影響座頭鯨的數量。