Modré velryby lze nalézt ve všech oceánech kromě Arktidy. Nejčastěji se vyskytují v severním Pacifiku a severním Atlantském oceánu, ale lze je nalézt také v jižním oceánu, Indickém oceánu a jižním Tichém oceánu. Modré velryby preferují hluboké, otevřené vody a často se vyskytují v blízkosti kontinentálního šelfu nebo v oceánských příkopech. Je také známo, že migrují na velké vzdálenosti a každý rok urazí až 10 000 mil.
