Contrariamente a lo que podría suponerse por su gran talla, la ballena  se alimenta de organismos microscópicos o de muy pequeño tamaño. Básicamente, se trata de un típico animal filtrador, para lo cual se vale de sus bien desarrolladas barbas, formaciones laminares suspendidas de la quijada superior, una detrás de otra, a ambos lados del paladar. Los huesos del maxilar superior forman una curva, de la cual cuelgan entre 230 y 280 (promedio 260) barbas corneas; estas barbas reciben el nombre de ballenas (de allí el nombre de los cetáceos) y miden hasta 2,40 m de largo, hallándose cubiertas por un pelo corto y duro.Ubicadas en ángulo recto al eje longitudinal de la cabeza, las barbas tienen los borde externos lisos, mientras que los internos están deflecados para permitir un eficiente filtrado. En la ballena franca puede observarse por lado alrededor de 250 barbas que llegan a medir hasta dos metros de largo.

El mecanismo de alimentación consiste en nadar lentamente a una velocidad de 2 o 3 nudos (3,7 a 5,5 Km/h), con la boca abierta, por la superficie o por debajo de ella, de tal manera que grandes volúmenes de agua pasan a través de la inmensa boca junto con los pequeños organismos con los que se alimenta. Luego de un período de filtrado, el agua se elimina por la acción de pistón de la enorme lengua, quedando el alimento retenido por las barbas. El alimento así acumulado tiene el aspecto de una pasta o papilla que luego es deglutida. Periódicamente la ballena suele limpiar y reordenar sus barbas mediante fuertes aberturas y cierres de su boca.

Se han realizado interesantes cálculos teóricos sobre la alimentación de esta ballena. Puede decirse que un ejemplar adulto de gran talla, con su boca abierta, tiene un área de filtrado de 13,5 metros cuadrados. Alimentándose sobre una concentración de plancton de 4 g/m³, a una velocidad de 3 nudos (5,5 Km/h), podría llegar a capturar aproximadamente 300 Kg de alimento por hora. De todas formas debe tenerse presente que en  la realidad probablemente son mucho menores ya que, por un lado, el área de filtrado suele ser más reducida en la mayor parte de los ejemplares y, por otro lado, las concentraciones de plancton no siempre son elevadas. Además hay que tener en cuenta que el tiempo que permanece con la boca abierta no es tan prolongado.