El tiburón ballena habita en los océanos y mares cálidos, cerca de los trópicos. Se cree que son peces pelágicos, pero en determinadas temporadas migran grandes distancias hacia zonas costeras, como Ningaloo Reef en Australia Occidental, Utila en Honduras, Donsol y Batangas en Filipinas, la isla Holbox en Yucatán, México, y las islas Pemba y Zanzíbar de Tanzania. Aunque es frecuente encontrarlo mar adentro, también es posible avistarlo cerca de la costa, entrando en lagunas o atolones de coral, y cerca de las desembocaduras o estuarios de los ríos.
Suele permanecer dentro de los ±30° de latitud, y a una profundidad de 700 metros.El tiburón ballena suele actuar de forma solitaria, aunque de vez en cuando forman grupos para alimentarse en zonas con grandes concentraciones de comida. Los machos pueden encontrarse en lugares más dispares, mientras que las hembras prefieren permanecer en lugares más concretos.
El vientre de los tiburones ballena es totalmente blanco, mientras que su dorso es de un color grisáceo, más oscuro que la mayoría de tiburones, con multitud de lunares y líneas horizontales y verticales de color blanco o amarillento, de tal forma que se asemeja a un tablero de ajedrez. Estas manchas representan un patrón único en cada espécimen, por lo que se utilizan para identificarlos y para censar su población.
Su piel puede llegar a tener 10 centímetros de grosor. Su cuerpo es hidrodinámico, alargado y robusto, y presenta varios resaltes longitudinales en la cabeza y el dorso. Su cabeza es ancha y aplanada, y en sus laterales se sitúan dos pequeños ojos, detrás de los cuales están los espiráculos. Su enorme boca puede llegar a medir 1,5 metros de ancho, capacidad suficiente como para albergar a una foca nadando de costado, y en sus mandíbulas se hallan multitud de filas de pequeños dientes.
