Cá voi xanh bắt đầu giao phối từ 5-15 tuổi, có thời gian mang thai kéo dài từ 10-12 tháng. Thời gian giao phối và sinh nở của loài này diễn ra trong mùa đông.
Khi chưa đến mùa giao phối, cá voi xanh thường đi khắp các đại dương một mình, cho đến cuối tháng 7 và đầu tháng 8, loài này bắt đầu hình thành cặp, con đực sẽ đi theo con cái khoảng 1 tuần.
Thỉnh thoảng, một con đực khác sẽ phá bĩnh cặp đôi, bộ ba sẽ tham gia vào một cuộc đua dưới nước, có thể là cách con cái kiểm tra xem con đực nào có thể chất phù hợp hơn để giao phối.
Trong cuộc đua, con đực phải theo kịp bạn tình của nó, trong khi đó nó vẫn phải đối đầu với tình địch, sau cuộc đối đầu, nhiều con bị chấn thương ở đuôi.
Cá voi xanh nổi tiếng với việc tạo ra xướng âm, có trường hợp ghi nhận hai con đực thực hiện cuộc gọi với nhau trong khoảng thời gian 10 phút. Con đực cũng có những bài hát riêng dành để tán tỉnh con cái mùa giao phối.
Như những loài cá voi khác, cá voi xanh có thể chỉ giao phối trong thời gian rất ngắn, con đực chèn dương vật vào âm đạo của con cái trong thời gian ít hơn một phút.
Điều thú vị, cá voi lưng gù, loài có họ hàng gần gũi với cá voi xanh được biết đến tham gia giao phối tập thể, hai con đực sẽ cùng giao phối với một con cái cùng một lúc. Rất có thể cá voi xanh cũng giao phối theo cách tương tự.