Elle se nourrit grâce à son orifice buccal, situé sur sa face ventrale et composé de cinq « dents ». Ses pièces buccales sont d'ailleurs un élément qui sert pour sa classification.
L'étoile de mer est principalement un prédateur, mais quelques espèces sont filtreurs. Son régime alimentaire est principalement constitué de proies immobiles ou se déplaçant lentement. Il peut se constituer de mollusques, crabes, corails, vers, crustacées, polychètes, échinodermes, d'autres invertébrés, et même parfois de petits poissons. Pour s'alimenter d'un bivalve, par exemple, elle envahit celui-ci avec ses pieds ambulacraires et le force à s'ouvrir. La force déployée par le système aquifère (hudraulique) pour ouvrir un bivalve peut atteindre 12,75 newtons, ce qui peut représenter l'effort nécessaire à un humain pour lever d'une main un poids de 1000 livres. Après une demi-heure, le bivalve est fatigué et ses muscles se relâchent. Une fois assez ouvert, l'étoile de mer dévagine son estomac à l'intérieur à l'aide de la contraction de sa paroi corporelle et prédigère l'animal avec des enzymes gastriques provenant du cæca pylorique. Une fois digéré, l'estomac est réinvaginé par la relaxation de la paroi corporelle et la contraction des muscles. Le contenu est ensuite digéré dans les estomacs. Si le spécimen de bivalve est petit, il peut être ingéré au complet et digéré, pour ensuite éjecter la coquille.
La digestion est faite dans deux estomacs séparés, l'estomac cardiaque et l'estomac pylorique. L'estomac cardiaque est comme un sac situé au centre. Il peut être sorti du corps. Quelques espèces utilisent la grande endurance de leur système aquifère (hydraulique) pour ouvrir la coquille des mollusques et introduire leur estomac à l'intérieur (digestion externe). Cela leur permet de chasser des proies beaucoup plus grandes qu'elles et même de petits poissons.
On les retrouve à toutes les profondeurs dans tous les océans. Celles couramment aperçues sont des espèces intertidales qu'on retrouve particulièrement le long des côtes. D'autres habitent sur les plages recevant de grandes vagues. Enfin, d'autres espèces vivent dans une grande variété d'habitats benthiques, souvent à de grandes profondeurs dans l'océan. Asterias est un genre souvent retrouvé sur la côte est des États-Unis. Pisaster, de même que Dermasterias, se retrouve sur la rive opposée, la côte ouest.
Toutes les étoiles de mer ne sont pas inoffensives ; l'Acanthaster pourpre (Acanthaster planci) est un prédateur des coraux de la grande barrière d'Australie aussi appelé « Couronne du Christ ».
La plupart des étoiles de mer ont des sexes séparés (diécie). Ils se reproduisent généralement de façon sexuée, mais le peuvent aussi de façon asexuée. Une paire de gonades réside dans chaque bras et d'où chacun est relié à l'extérieur au pore génital, par le conduit reproducteur. Au début de l'été, chaque sexe expulse dans l'eau soit des œufs ou du sperme produits respectivement par les ovaires et les testicules. La fertilisation est donc externe.
Certaines espèces ont la possibilité de se régénérer, c'est-à-dire, la capacité de faire repousser un ou plusieurs de leurs bras si elles en sont détachées. Un bras perdu peut être régénéré en moins d'un mois. Un genre en particulier, Linckia, nommé d'après le naturaliste J.H. Linck, est même capable, à partir d'un bras, de se reconstituer en entier. Elle utilise cette capacité comme moyen de multiplication asexuée. L'étoile de mer du pacifique (Echinaster luzonicus) en a aussi la capacité, de même qu'elle peut elle-même détacher un de ses bras pour se reproduire. Lorsque cette capacité à se régénérer n'était pas connue, et que l'étoile de mer était considérée comme une espèce nuisible, il était courant de les couper en deux et de les rejeter à la mer afin d'en contrôler la population. Ce qui avait, malheureusement, tout l'effet contraire.