Le comportement des cétacés est d'une façon générale mal connu, du fait de leur crainte de l'homme, de leur extrême mobilité et, pour les espèces marines au moins, de leur environnement peu favorable à la présence de l'homme. Les cétacés sont les seuls amniotes, avec les siréniens, à vivre tout leur cycle de vie dans l'eau, les autres espèces aquatiques de ce groupe, comme les manchots, les crocodiliens ou les phoques doivent au moins revenir à terre pour faire naitre leur petit, et que les hippopotames amphibies, dont la parturition est aquatique, doivent retournent à terre pour se nourrir.
La plupart des espèces de cétacés sont grégaires, le nombre d'individus dans les groupes peut fortement varier, ainsi certains orques chassent par trois ou quatre, d'autres en groupe comptant plus d'une dizaine d'individus. Pour cette espèce, leur nombre dépend du type de proies chassées. Le Marsouin de Dall est communément observé par groupe de 20, mais des groupes de plus de 200 individus ont été observés. Le Boto est lui plutôt solitaire. Certaines espèces comme les dauphins à long bec ou les dauphins bleu et blanc peuvent côtoyer des espèces plus grandes comme les rorquals au sein de groupes plus ou moins grands. Plusieurs espèces aiment nager auprès des plus grosses ou des bateaux, devant l'étrave ou derrière la poupe, profitant du sillage pour se déplacer à moindre effort, pour chercher une protection ou pour jouer en surfant sur les sillons provoqués par les gros volumes. Au sein des groupes, tous les individus n'ont pas le même rôle social. Chez les Tursiops, certains individus favorisent même les relations entre les sous-groupes, autrement dit, la cohérence globale du groupe. Une hiérarchie existe entre les individus, et entre les trois générations : juvéniles, sub-adultes, adultes. Les individus de la même espèce au sein d'un groupe sont la plupart du temps très solidaires, n'hésitant pas à aider les malades. La plupart des espèces grégaires regroupent leurs petits au sein de nurseries pendant que les adultes chassent, certaines d'entre elles, comme celles des dauphins à long bec ou le bleu blanc peuvent regrouper des centaines de petits. Cependant les conflits entre mâles au sein d'un groupe, entre groupes différents, voir entre espèces peuvent-être violents.
On appel pods les groupes de dauphins.
Les cétacés sont carnivores et la plupart du temps diurnes, le Dauphin à long bec est cependant connu pour chasser la nuit.
La plupart des espèces étudiées sont polyandres, polygynes ou polygynandres. Parfois le comportement sexuel, comme celui de la Baleine franche de l'Atlantique Nord est connu, car la parade nuptiale et l'accouplement se déroulent près de la surface. La plupart des espèces de cétacés n'ont qu'une seule saison de reproduction par an. Les femelles donnent naissance à un nouveau-né tous les un à six ans, après 10 à 17 mois de gestation. Beaucoup d'espèces migrent vers l'équateur pour mettre bas, notamment plusieurs mysticètes qui jeûnent durant toute cette saison et qui repartent avec leur petit se nourrir vers les pôles après quelques semaines. Habituellement, les naissances ont lieu en saison chaude. Les nouveau-nés sont précoces, ils sortent par le siège de l'utérus et doivent immédiatement nager pour regagner la surface. Les femelles allaitent les petits sur les périodes qui s'étalent selon les espèces de six mois à deux ans, du moins pour le Grand Cachalot. Les mères sont très maternelles mais les mâles ne s'occupent en général pas des petits, bien que quelques cas où des mâles jouant et apportant de la nourriture à des jeunes ont été observés. Chez certaines espèces, comme le béluga, les mères et leurs jeunes peuvent former des associations qui durent longtemps après que ceux-ci soient sevrés. Les jeunes n'atteignent leur maturité sexuelle qu'après plusieurs années, une dizaine en moyenne pour les mysticètes. Même après avoir atteint la maturité sexuelle, les jeunes doivent attendre plusieurs années avant qu'ils ne soient socialement intégrés et placés dans une situation où la reproduction est permise.
Les cétacés sont vraisemblablement tous capables de communiquer entre eux, quelques fois à très grandes distances et de transmettre des informations complexes. Ainsi les grands dauphins sont capables de nommer un congénère ou eux-mêmes ; en outre, ils sont capables d'identifier la signature vocale des différents individus de leur groupe. Les orques possèdent des techniques de chasses propres à un groupe, qu'ils peuvent enseigner à un nouvel arrivant. Leur langage basé sur des sifflements bruyants et des ultra-sons inaudibles pour l'oreille humaine semble être très élaboré mais est encore mal compris.
Les cétacés peuvent nager en formation en V pour diminuer les efforts.