它的体形粗胖，尤其是鳍肢的附近最粗，然后由此向尾部逐渐变细。头部与体长相比较小。虽然没有背鳍，但也露出背脊，并可见到尾部背面有8-15个小的驼峰状隆起。鳍肢宽厚，前缘凹凸不平，尾鳍的大小中等。胸腹部有2-4条纵沟，沟的前后长度达1.5米，但没有褶沟。有人认为褶沟的作用是当动物呼吸时有助于胸腔的扩大或缩小，摄食的时候可以增大口腔的容量，而灰鲸是现有须鲸中最原始的浅水类型，所以褶沟尚不如其他须鲸那么发达。喷气孔有2个，位于吻部最高处的稍后方，2个孔的前端的距离较近，大约为7厘米，后端的距离稍远，大约为21厘米，略成“V”字形，喷气孔前后的长度约为20厘米。它喷出的雾柱又矮又粗，上面很平，彼此靠得很近，所以从后面看是挨得很近的两条雾柱，从侧面看上去就象只有一条雾柱一样。

它是哺乳动物中迁移距离最长的种类，迁移距离可长达10000-22000公里。在太平洋的北美洲一侧，灰鲸从5月下旬到10月末穿过白令海峡和白令海西北部，到水温、光照都较适宜的北极圈内索饵，然后开始南移，穿过阿留申群岛，沿着北美洲大陆沿岸南下，平均每天行进大约185公里。2月间在水温较高、光照充分的加里福尼亚半岛的西侧以及加里福尼亚湾的南侧繁殖。2月份以后再次开始北进，但路线与南下时不同，从夏季的索饵场所到冬季的繁殖场所之间的往返距离大约为18000多公里。在太平洋的亚洲一侧，灰鲸从鄂霍次克海穿过宗谷海峡进入日本海，再沿着朝鲜东海岸经过到达中国的南海，其中还有一部分穿过对马海峡后北上进入中国的黄海。

西北太平洋种群夏季在鄂霍次克海，秋季到广东和海南省海域越冬；东北太平洋种群夏季在楚科奇海、波弗特海和白令海，秋季沿海岸线至墨西哥的下加利福尼亚西岸越冬。

灰鲸主要以浮游性小甲壳类、鲱鱼的卵，以及其他群游鱼类为食，也吃海胆、海星、海螺、寄居蟹、瑟虾、海参以及海藻等。但在南下洄游时不摄食，胃中是空的，往北洄游时才经常摄食。

它也是在浅潜水的时候呼吸数次以后，就接着进行一次时间较长的深潜水，潜水的深度约为100米左右，在水下前进的距离约为1000米，持续时间一般为17一18分钟。浅潜水时尾鳍并不露出水面，背部也不弯曲，但深潜水时尾鳍常高举出水面。它的游速很慢，一般为每小时3-4海里，最快也不超过7一8海里。

一些灰鲸特别喜欢发出一种“哼哼”声，无论何时何地，每小时大约发出50次左右，每次历时2秒钟，频率范围在20-200赫兹之间，强度可达160分贝，很象是在叹息或者嘟囔。人们对它发出这种声音的原因尚不清楚，有人认为是回声定位或者群体成员之间交流的信号，也有人认为是对暴风雨、地震地自然现象的反应，最近的发现表明，发出这种声音的个体大多是没有找到配偶的个体，于是又推测这种“哼哼”声可能是它们对于“失恋”的叹息，或者是一种愤懑和发泄。

灰鲸在海洋中的主要天敌是虎鲸，经常遭受虎鲸的袭击，这时只有将肚皮朝上浮在水面上，用假死的方法试图躲过灾难。

灰鲸是所有鲸类之中遭遇寄生情况最为严重的鲸鱼，它们的身上寄生着大量的鲸虱。感染内寄生物的灰鲸个体很少，已发现的灰鲸体内寄生物有在胃内的简单异尖线虫（Anisakis simplex），肝内的吸虫类（Lecithodesmus goliath），肠内的畦胃吸虫（Ogmogaster）、绦虫类（Priapocephalus）和棘头虫类的球茎体棘头虫（Bolbosoma）等。这些寄生物的感染可能会导致灰鲸出现炎症反应，如胃炎、结肠炎和直肠炎等。

藤壶也是一种寄生在灰鲸皮肤表面的节肢动物，主要分布在灰鲸相对较短的弓形头部上方、呼吸孔周围和背的前部。1种新的藤壶种群和3种新的鲸虱种群都仅在灰鲸身上被发现。但值得注意的是，藤壶和灰鲸属于偏利共生关系，藤壶的寄生不会给灰鲸带来实质性影响。

灰鲸仅分布于北太平洋，分东西两个种群。亚洲侧（即西侧种群）南至中国沿海，向北沿朝鲜、俄罗斯到鄂霍次克海。美洲侧（即东侧种群）南达墨西哥的加利福尼亚半岛南端，向北沿美国、加拿大到白令海西北部、白令海峡以北，在中国多见于黄海、东海、南海等温带海域附近。北大西洋曾是灰鲸的栖息地，但由于人类捕鲸活动，北大西洋的灰鲸在18世纪早期就已绝迹。灰鲸化石可见于北大西洋沿岸的英国、法国、瑞典、美国。

灰鲸在6~12岁时达到性成熟。交配和生育具有很强的季节性，并与迁徙周期同步。交配发生在秋季南迁的中期，并在冬季繁殖范围的1月至2月继续进行。灰鲸的交配系统很混杂，个体可以成对交配，也会有5只甚至更多个体在一起翻滚打转的成群交配现象。雄性可能会试图与有新生幼崽的雌性交配，但有幼崽的雌性通常会拒绝与雄性交配。求偶时，雄性灰鲸与雌性灰鲸在游动过程中会彼此爱抚，如果雌性没有拒绝雄性的示爱，就会迅速发生交配，并重复进行多次，每次持续10~30秒。

雌性灰鲸的妊娠期11~13个月，通常每两年生育一胎，生育时间常在12月下旬到3月初，期间的灰鲸正向南迁移至礁湖，而雌性灰鲸就会在礁湖中生产。幼崽会在母鲸到达礁湖的5~6周内出生，生产高峰大约出现在1月上旬。

刚出生的灰鲸幼崽体长大约4.9米，身上的鲸脂很薄，无法在冰冷的北极水域存活，但可在温暖的礁湖中健康成长。幼崽刚出生的几个小时内，身体不协调，无法正常呼吸和游动，母鲸有时会用背部或尾鳍将幼崽托到水面，使它能顺利呼吸。在母鲸的帮助下，幼鲸在礁湖中实现运动协调，而后与母鲸一起向北迁移至避暑区。幼鲸7~9个月大时断奶，在春季迁徙或夏季觅食时与母亲分开。灰鲸大约在40岁时身体完全发育成熟，最长寿命记录是80岁。

基因研究和差别恢复模式显示，灰鲸的西北太平洋亚群独立于东太平洋亚群，前者被列为极危物种。

无论太平洋东部还是西部的灰鲸，在史前时代都有被巨牙鲨猎杀的纪录。20世纪初期，沿海土著捕鲸数降至较低水平，兴起的商业捕鲸造成的鱼类资源消耗，严重削弱了传统的渔猎经济。19世纪中叶，潟湖育种区的商业捕鲸活动导致东太平洋灰鲸锐减，1855~1865年，十年高峰捕鲸期，每年捕获量约在480头。1967~1996年的调查显示，仅管有持续捕捞，东太平洋的灰鲸数量正以每年2.5%的增速恢复，1997年~1998年到达24,000-36,000头的高峰，2001~2002年，下降到15,000-22,000头，种群下降的原因解释繁多，最大可能与食物获取及环境承载力有关。西太平洋的灰鲸数量保持了过去水平，大约在100~300头左右。

中国： 1961和1962年分别有1头灰鲸搁浅在福建晋江海滩。

1949年~1979年间在辽宁省、山东省、广东雷州半岛和惠阳大亚湾内、以及海南省都有搁浅或发现的记录。

2011年11月5日，福建平潭发现1头搁浅的灰鲸。

全球： 朝鲜海域1966年间的小规模捕猎使这个种群未能得到恢复，2001年估计不到100头；东北太平洋种群也曾在1854~1865年间遭到严重捕杀，自1937年开始保护后逐渐得到恢复；据国际捕鲸委员会（IWC）统计，1987~1988年约有21,000头；据1997~1998年调查，估计现存种群约26,600头。

美洲种群在20世纪初仅剩几百头，1947年起经国际协议禁止猎捕，2004年已恢复到30,000头；亚洲种群资源恢复甚是缓慢，当前数量约有200头。种群趋势稳定。

列入《国家重点保护野生动物名录》：国家二级保护动物。

列入《濒临绝种野生动植物国际贸易公约》（CITES）附录Ⅰ。

列入《世界自然保护联盟》（IUCN）2008年濒危物种红色名录ver 3.1，东太平洋亚群列为无危物种（LC），西太平洋亚群列为极危物种（CR）。

2021年2月，列入《中国国家重点保护野生动物名录》一级。

自1948年《国际捕鲸管制公约》生效以来，灰鲸一直受到商业捕鲸的保护。

1972年《海洋哺乳动物保护法》和1973年《濒危物种法》为美国水域内的灰鲸提供了保护。

2002年，墨西哥宣布将所有领海和经济禁区用于保护大型鲸鱼。在加拿大、俄罗斯、日本、韩国和中国的领海，灰鲸也受到不同程度的保护。

2003年，国际捕鲸委员会(IWC)制定了本土捕鲸限额，5年内可捕620头灰鲸，一年不能超过140头。

2005年，东太平洋种群的主要繁殖地被纳入保护区，从而限制划船、捕鱼和沿海开发的干扰。