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El mayor de todos los tiburones y, sin embargo, totalmente inofensivo, crece hasta alcanzar los 15 m de longitud, conociéndose la existencia de grandes ejemplares de 20 m y hasta de 22 m. No se tienen datos sobre su peso exacto, pero se ha calculado que un tiburón ballena de 22 m pesaría alrededor de 70 t. Se le distingue fácilmente de cualquier otro pez por su llamativo conjunto de colores; el cuerpo es de color gris muy oscuro o pardusco, con la parte inferior blanca, pero, además, tanto la cabeza como el cuerpo aparecen cubiertos de puntos blancos o amarillos que sobre la cabeza son menores y están más juntos. En el dorso tales puntos se hallan separados por líneas blancas verticales. El cuerpo del tiburón ballena es largo y cilindrico con crestas longitudinales a lo largo de su espalda, una en el centro y dos o tres más a cada lado. Como ocurre con todos los tiburones, su piel es muy dura y gruesa; la de un tiburón ballena de 18 m tiene un espesor de 15 cm. Su fuerte cola es aquillada, y la aleta caudal casi simétrica. La cabeza es ancha y chata, y su enorme boca contiene cientos de minúsculos dientes que forman una especie de raspador. La abertura de la boca es tan grande (alrededor de 1,5 m de lado a lado incluso en un ejemplar de talla mediana) que, según dicen, es lo suficientemente amplia para permitir que dos hombres quepan agachados en su interior. Los ojos son pequeños, y también lo son los espiráculos situados precisamente tras ellos. Las aletas pectorales son grandes, y tienen forma de hoz. Posee dos aletas dorsales, la segunda situada exactamente encima de la aleta anal.
Una característica del tiburón ballena, poco frecuente y que sólo comparte con otro tiburón, el marrajo gigante, es la presencia de rastrillos branquiales. Las aberturas exteriores de las branquias, situaquiales, o branquispinas, en forma de cedazo, muy tupidos, cada uno de los cuales tiene una longitud de 10 a 13 cm, que crecen a partir de los arcos de las branquias. Su aspecto recuerda al de las barbas de las ballenas y tienen la misma función: filtrar el plancton y pececillos. Ésta puede ser una de las razones por la que se le ha dado el nombre de tiburón ballena.
Los tiburones ballena se encuentran en todos los mares tropicales del mundo. En raras ocasiones se han visto ejemplares en una zona tan al norte como es la de Nueva York, y tan al sur como en aguas de Brasil y Australia
