不可想像的是，这种庞然大物竟然是以鳞虾这种体长还不到1厘米的小型甲壳动物为主要食物的，此外还有鳞鱼、毛鳞鱼、玉筋鱼和其他小型鱼类等。它的嘴张开时，其特殊的弹性韧带能够使下腭暂时脱落，形成超过90度的角度，口的横径可达到4.5米，可以一口吞下大量的磷虾或较小的鱼类，但其食道的直径则显得太小，不能吞下较大的食物，这可能就是它只能吃小动物的原因之一。由于越冬期间好几个月都不进食，为了维持那硕大无比的身躯所需要的体能，在夏季里便要吃大量的食物，常常可以连续吃上18个小时。由于日照充足，北方冰川地带的海湾里浮游生物大量滋生，养育了以浮游动物为食的鳞虾，数量巨大，常常数百万只群集在一起，因此为座头鲸提供了极为丰盛的食物来源。
座头鲸进食的方法也很奇妙，首先是冲刺式进食法，将下腭张得很大，侧着或仰着身子朝虾群冲过去，然后把嘴闭上，下腭下边的折皱张开，吞进大量的水和虾，最后将水排除出去，把虾吞食；第二种方法叫轰赶式进食法，将尾巴向前弹，把虾赶向张开的大嘴，这种方法也是只有当虾特别密集时才适用；第三种方法是从大约15米深处作螺旋形姿势向上游动，并吐出许多大小不等的气泡，使最后吐出的气泡与第一个吐出的气泡同时上升到水面，形成了一种圆柱形或管形的气泡网，像一只巨大的海中蜘蛛编结成的蜘网一样，把猎物紧紧地包围起来，并逼向网的中心，它便在气泡圈内几乎直立地张开大嘴，吞下网集的猎物。这种捕食方法，同捕鱼者用两只渔船拉曳大型渔网，逐渐迫使鱼虾接近水面，然后一网打尽的情景一样。当猎物数量稀少时，座头鲸常常单独或仅有2只～3只在一起觅食，而当猎物数量很多时，便形成8只左右的较大群体，有时不同群体之间还会互相争食。因此，有时食物的多少、分布和种类，也会直接影响座头鲸的数量。