La tête de la baleine bleue est particulièrement large par rapport à celle d'autres espèces de baleines. Par ailleurs sa tête représente presque un quart de la longueur totale de la baleine. La baleine bleue possède entre 63 et 65 vertèbres, réparties de la manière suivante : 7 cervicales, 15 à 16 dorsales, 14 à 16 lombaires et 26 à 28 sacrées. Elle a 15 paires de côtes dont une seule s'articule sur le sternum.
La taille gigantesque de la baleine bleue se retrouve au travers de ses organes. Ainsi, une langue de baleine bleue pèse environ 2,7 tonnes et quand sa gueule est complètement ouverte, elle est assez grande pour contenir 90 tonnes d’eau et de nourriture. En dépit de la taille de sa gueule, les dimensions de sa gorge sont telles que la baleine bleue ne peut avaler un objet d’une taille supérieure à celle d’un ballon de plage. Son cœur pèse 600 kg et il est plus gros que celui de n’importe quel animal. Il met en circulation 10 000 litres de sang. Son rythme est de 8 pulsations par minute lorsque la baleine est en surface, mais il peut s'abaisser à 4 pulsations par minute en plongée. Une aorte de baleine bleue a un diamètre d’environ 23 cm. Sa capacité pulmonaire est de 5 000 litres. Son foie pèse environ une tonne. Elle possède aussi le record du plus gros pénis du règne animal, avec une longueur qui peut atteindre 2,4 mètres.
Après 6 à 20 respirations à la surface au cours d'une période de 1 à 5 minutes, les baleines bleues plongent généralement pour 5 à 15 minutes, voire parfois plus. Ainsi, la plus longue plongée enregistrée est de 36 minutes. La plongée la plus profonde a été enregistrée à 204 m. À l'instar d'autres mammifères marins plongueurs, la baleine bleue peut prolonger la durée de ses plongées aérobies en profitant de la flottabilité négative caractéristique des grandes profondeurs.
Le corps de la baleine bleue est recouvert d'une couche de graisse d'une épaisseur de 5 à 30 cm, suivant la période de l'année, qui joue un rôle dans la régulation de sa température corporelle. Cette graisse constitue également une réserve d'énergie mobilisable durant la migration des baleines, période où elles se nourrissent peu. Au total, la graisse d'une baleine bleue peut atteindre un poids de 50 tonnes.
Les baleines bleues sont difficiles à peser du fait de leur taille. La plupart des baleines bleues tuées par les baleiniers n’ont pas été pesées entières mais après avoir été coupées en morceaux plus faciles à gérer. Cela cause une sous-estimation du poids total de la baleine due à la perte de sang et autres fluides. Néanmoins, des poids variant entre 150 et 170 tonnes furent enregistrés sur des animaux atteignant 27 mètres de longueur. Le poids d’un individu de 30 mètres est estimé à plus de 180 tonnes par le National Marine Mammal Laboratory (NMML). La plus grosse baleine bleue pesée avec précision par les scientifiques du NMML à ce jour est une femelle de 177 tonnes. La baleine peut atteindre de tels poids car il s'agit d'un animal marin. En effet, l'eau l'aide à soutenir son poids, sans quoi ses os ne seraient pas assez résistants et elle s'effondrerait sur elle-même.
La baleine bleue est considérée comme le plus gros animal ayant jamais vécu sur Terre. Le plus grand dinosaure connu de l’ère Mésozoïque était l’Argentinosaurus, dont on estime le poids à environ 90 tonnes, bien qu’une vertèbre controversée d'Amphicoelias fragillimus pourrait révéler l’existence d’un animal avoisinant 122 tonnes et 40 à 60 mètres. De plus le dinosaure Bruhathkayosaurus aurait pu atteindre 175 ou 220 tonnes, mais cette estimation n'est pas certaine, les fossiles retrouvés étant trop parcellaires. Le poisson éteint Leedsichthys pourrait avoir approché cette taille. Cependant, il est difficile de se procurer des fossiles complets, ce qui rend les comparaisons de taille difficiles. Tous ces animaux restent considérés comme moins lourds que la baleine bleue.
Cependant en termes de longueur, elle ne détient pas le record. En Écosse, on a déjà découvert un ver marin de plus de 50 mètres de long et des méduses avoisinent cette taille également. Sur Terre, des fossiles de sauropodes tels que Amphicoelias ou Bruathkayosaurus laissent suggérer des tailles approchant les 50 mètres.
Il y a un certain nombre d’incertitudes à propos de la plus grande baleine bleue jamais rencontrée, étant donné que la plupart des données proviennent des baleines bleues tuées dans les eaux de l’Antarctique durant la première moitié du vingtième siècle et qu'elles furent collectées par des baleiniers peu initiés aux normes de mesures techniques en zoologie. Les plus longues femelles jamais mesurées furent deux femelles mesurant respectivement 33,6 et 33,3 m. La plus longue baleine mesurée par les scientifiques au NMML était de 29,9 m.