Largo y estilizado, el cuerpo de este mamífero marino es de color gris azulado a lo largo del dorso y algo más claro en la zona ventral. Existen al menos tres subespecies distintas: B. m. musculus, del Atlántico Norte y Pacífico Norte; B. m. intermedia, del océano Antárticoy la B. m. brevicauda (también conocida como ballena azul pigmea), que se encuentra en el Índico y en el Pacífico Sur. Existen dudas sobre la atribución como una cuarta subespecie de la B. m. indica, que también se encuentra en el océano Índico. Como otras ballenas barbadas, su dieta consiste principalmente en pequeños crustáceos conocidos como krill.
Las ballenas azules eran abundantes en casi todos los océanos hasta comienzos del siglo XX. Durante más de 40 años fueron cazados hasta casi su extinción, lo que obligó a su protección por la comunidad internacional en 1966. Un informe de 2002 estimó su número entre 5.000 y 12.000 ejemplares en todo el mundo, localizados en al menos cinco grupos, aunque una investigación más reciente sobre la subespecie pigmea sugiere que estos datos pueden ser una subestimación. Antes del comienzo de la caza comercial de ballenas, la población más numerosa era la de la Antártida, con alrededor de 239.000 ejemplares (entre 202.000 y 311.000). Actualmente sólo quedan concentraciones mucho menores (de alrededor de 2.000 individuos) en el Pacífico nororiental, Antártico e Índico. Hay dos grupos más en el Atlántico Norte y por lo menos dos en el Hemisferio Sur.
Aunque suele llamarse a todos los misticetos «ballenas», esta denominación se reserva solo a la familia Balaenidae. Las llamadas ballenas azules en realidad son rorcuales (familia Balaenopteridae), una familia que incluye a la yubarta, el rorcual común, el rorcual de Bryde, el rorcual boreal y el rorcual albiblanco. Se cree que la familia Balaenopteridae divergió de otras familias del suborden Mysticeti ya en el Oligoceno medio; sin embargo se desconoce cuándo se separaron entre sí los miembros de esa familia. Al rorcual azul normalmente se la clasifica como una de las ocho especies de rorcuales incluidas en el género Balaenoptera, y aunque una autoridad la clasificó en un género separado, Sibbaldus, esta clasificación no fue aceptada por nadie más. Recientes análisis de secuenciación de ADN indican que está filogenéticamente más cerca del rorcual boreal (Balaenoptera borealis) y el rorcual de Bryde (Balaenoptera brydei) que de otros miembros de la familia Balaenoptera, y más cerca de la yubarta (Megaptera) y la ballena gris (Eschrichtius) que de los rorcuales albiblanco(Balaenoptera acutorostrata y austral Balaenoptera bonaerensis). Si futuras investigaciones confirmaran estas relaciones, sería necesario clasificar de nuevo los rorcuales.
Existen casos documentados de híbridos entre rorcuales azules y rorcuales comunes en el hábitat natural, pero se desconoce la capacidad reproductiva de estos híbridos. Arnason y Gullberg describieron la distancia genética entre el rorcual común y el rorcual azul como la misma que existe entre el ser humano y el gorila.
El nombre de la especie, musculus, proviene del latín y puede ser traducido como «músculo», aunque también puede serlo como «ratoncito». Linneo, que asignó ese nombre a la ballena azul en su Systema naturae de 1758, puede que utilizara un deliberado e irónico doble sentido al darle este nombre. Antiguamente se la denominaba con otros nombres comunes, como rorcual de Sibbald (por Sir Robert Sibbald), gran ballena azul y gran rorcual del norte. Estos nombres dejaron de utilizarse en décadas recientes.
Diversas autoridades subdividieron la especie en cuatro subespecies, una de ellas dudosa:
B. m. musculus (Linnaeus, 1758), rorcual azul del norte, en la que se incluyen las poblaciones del Atlántico Norte y del Pacífico Norte,
B. m. intermedia (Burmeister, 1871), rorcual azul antártica, la de mayor tamaño, que se encuentra en el océano Antártico,
B. m. brevicauda (Ichihara, 1966), la rorcual azul pigmeo, con poblaciones en el océano Índico y en el Pacífico Sur,
y la más problemática B. m. indica (Blyth, 1859), el gran rorcual de la India, que también se encuentra en el océano Índico y que, si bien se ha descrito con anterioridad, puede ser la misma subespecie que la B. m. brevicauda.
Los rorcuales azules se alimentan casi exclusivamente de krill, aunque también ingieran pequeñas cantidades de copépodos. La especie concreta a la que pertenece el zooplancton del que se alimentan varía de un océano a otro; en el Atlántico Norte el Meganyctiphanes norvegica, Thysanoessa raschii, Thysanoessa inermis y Thysanoessa longicaudata son su alimento habitual, en el Pacífico Norte,Euphausia pacifica, Thysanoessa spinifera, Thysanoessa raschii y Nyctiphanes symplex; por último, en el Antártico, Euphausia superba, Euphausia crystallorophias y Euphausia valentin.
Un adulto puede ingerir hasta 40 millones de krill en un día. Los rorcuales siempre se alimentan en las áreas con la concentración más alta de krill y pueden llegar a consumir durante la temporada alta de alimentación hasta 4 toneladas de este crustáceo en un día, aunque hay informes de consumos de hasta 8 t. Los requerimientos de aporte energético de un rorcual adulto están en torno a los 1,5 millones de calorías cada día. Generalmente se alimentan a profundidades de más de 100 m durante el día y sólo se alimentan en la superficie de noche. Las inmersiones durante su alimentación son generalmente de entre cinco y quince minutos, aunque inmersiones de hasta veinte minutos son habituales y existen registros de hasta treinta y seis minutos de duración. La alimentación del rorcual se realiza por un sistema de filtrado: en una «embestida» abre su boca introduciendo gran cantidad de agua y de krills, entonces cierra sus mandíbulas y empuja el agua de vuelta hacia fuera a través de sus barbas, lo que permite que el agua salga mientras captura las presas retenidas en ellas. Aunque su alimentación es casi exclusivamente el krill, incidentalmente también consume pequeños peces, crustáceos y calamares que nadan entre éste.
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