Þrátt fyrir að hvalir hafi aðlagast lífi í vatni fyrir 47 milljónum ára, eru skynfæri þeirra ekki svo ólík skynfærum landdýra. Maðurinn hefur fimm skynfæri: sjón, heyrn, lykt, bragð og snerting. Hvalir hafa tvö skynfæri í viðbót: bergmálsmiðun og segulskyn.
Heyrn: Eyru hvala hafa með tímanum þróast til að nema hljóð í vatni. Þeir nota heyrnina til að rata um höfin, finna fæðu og til að eiga samskipti sín á milli. Hvalir nema hljóð með öðrum hætti en önnur spendýr. Eyrað, eða eyrnagöngin, sem tengja saman ytra og innra eyrað eru lokuð að öllu eða mestu leyti. Á móti kemur að kjálkabeinið virkar sem „hljóðsendir“ til innra eyrans. Hvort eyra um sig nemur hljóð óháð hinu eyranu. Mið- og innra eyrað eru aðskilin frá höfuðkúpunni, þau eru í hljóðeinangruðu, froðufylltu loftrými. Þetta gerir hvölum kleift að greina úr hvaða átt hljóð berst.
Hvalir gefa frá sér fjölbreytt hljóð með mismunandi tíðni og styrkleika. Höfrungar eiga samskipti við aðra hvali í vöðunni með smellum og blístri og þeir þekkja aðrar tegundir og einstaklinga af hljóðum sem þeir gefa frá sér. Búrhvalir mynda hljóðmynstur sem er einstakt fyrir hvern hval innan hópsins. Háhyrningar nota tónaraðir og hljóð sem mynda sérstaka „mállýsku“ fyrir hvern hóp eða fjölskyldu.
Stórhvelin gefa frá sér hæstu hljóðin. Tíðni hljóða frá langreyðum og steypireyðum liggja langt undir heyrnarsviði manna, en með réttum útbúnaði má greina hljóðin í allt að 1.600 km fjarlægð. Vísindamenn telja að hvalir noti hljóðin til að eiga samskipti og mögulega til að rata um dimm og djúp höfin. Vísindamenn telja að sum lágtíðnihljóðanna geti borist allt að 16.000 km í hafinu án þess að styrkur þeirra minnki. Það samsvarar fjarlægðinni milli Reykjavíkur og Brisbane í Ástralíu.
Flestir hvalir eiga samskipti á tíðni milli 30 og 8.000 herts. Hljóð berst milli sjávarlaga þar sem hitastig og selta skapa kjöraðstæður fyrir hljómburð. Sjávarlögin virka eins og hljóðrásir sem bera hljóð um langan veg.
Bergmálsmiðun: Tannhvalir skynja umhverfi sitt með svokallaðri bergmálsmiðun. Þegar hljóð sem hvalur gefur frá sér lendir á fyrirstöðu kastast hljóðbylgjur til baka til hvalsins sem nemur þær og notar til að greina umhverfið. Hljóðbylgjurnar gefa honum upplýsingar um fyrirbæri í umhverfinu, hversu langt í burtu þau eru, hvort þau séu á hreyfingu og þá í hvaða átt, hversu stór þau eru og hvort þau séu til dæmis hol að innan eða ekki. Auk þess nota hvalir bergmálsmiðun til að greina hvort fyrirbærið sé fæða, rándýr eða einfaldlega hluti af landslagi sjávar.
Bergmálsmiðun er mjög mikilvægur eiginleiki í dimmu hafinu, til dæmis að nóttu eða á miklu dýpi. Hvalir eru ekki einu dýrin sem búa yfir þessum hæfileika, leðurblökur nota bergmálsmiðun til að rata í myrkri og við veiðar, sem og sumar fuglategundir og nagdýr.
Bragð: Þrátt fyrir að bragðlaukar séu sýnilegir á tungu sumra hvalategunda, benda rannsóknir til þess að hvalir nemi einungis eitt þeirra fimm grunnbragða sem til eru, en þau eru: sæta, selta, sýra, beiskja og umami.
Tann- og skíðishvalir hafa þróað með sér getu til þess að greina seltu. Ástæðan gæti verið sú að þessi eiginleiki geri þeim kleift að stjórna seltumagni í líkamanum og halda blóðþrýstingi í jafnvægi.
Lykt: Talið er að skíðishvalir hafi ofurlítið lyktarskyn, sem þeir nota til að finna átu og svifdýr þegar þeir koma upp að yfirborðinu til þess að anda. Aftur á móti virðast tannhvalir hafa tapað lyktarskyninu algerlega. Ástæðuna má rekja til þróunarsögulegra breytinga; þegar nasirnar færðust frá trýninu upp á höfuðið. Þá hefur virkni líffæra sem tengjast nösunum að öllum líkindum breyst.
Segulskyn: Litlir kristallar úr segulsteini hafa fundist í mörgum dýrategundum á borð við bakteríur, býflugur, fugla, leðurblökur og eðlur. Þessir kristallar hafa einnig fundist í heila hvala. Talið er að kristallarnir séu stöðugt að laga sig að segulsviði jarðar. Við höfum ekki mikinn skilning á hvernig þetta skynfæri virkar; en talið er að dýrin skynji í hvaða átt kristallarnir vísa og noti þá til að rata. Alla jafna streymir segulsviðið frá norðri til suðurs með jafnri spennu, en vissir þættir geta valdið misvægi, svo sem járn og aðrir málmar sem verða til í miklu magni við jarðmyndanir á hafsbotni. Slíkt gæti einnig verið ein orsök þess að hvalir stranda. Mögulega geta sólarstormar, betur þekktur sem norðurljós á vetrarhimninum, einnig orsakað hvalreka.
Sjón: Hvalir sjá ekki jafn vel og menn eða önnur landspendýr, í raun sjá þeir smáatriði tíu sinnum verr en maðurinn. Ósamhverfir augasteinarnir gera sjónhimnunni kleift að aðlagast mismunandi birtustigi. Hvalir sjá því jafn vel neðan- og ofansjávar, en þó ekki nema nokkra metra frá sér.
Tegundir með stutta eða mjóa trjónu sjá beint fram fyrir sig. Á stærri hvölum, til dæmis búrhvölum eru augun aftarlega á höfðinu. Sjónsvið þeirra nær því einungis til hliðanna en ekki til þess sem fram undan er.
Ljósnemar í augum spendýra eru aðallega tvenns konar. Annars vegar keilur sem nema liti og smáatriði og hins vegar stafi sem efla sjón þegar birta er af skornum skammti.
Flest spendýr hafa þrjár tegundir af keilum. Tannhvalir hafa einungis eina tegund og skíðishvalir enga, því er talið að hvalir séu svo gott sem litblindir. Í augum þeirra eru aftur á móti margir stafir og hvalir hafa því sérlega góða nætursjón.
Snerting: Húð hvala, hveljan, er mjög næm fyrir snertingu. Hún virðist vera þykk og leðurkennd, en í raun er hún þunn og mjúk viðkomu, ekki ólík harðsoðnu eggi án skurnar. Undir hveljunni er þykkt fitulag og fyrir vikið lítur húðin út fyrir að vera grófari en hún er. Hveljan er að mestu úr vatni, eða 80%, og er sérstaklega næm í kringum kynfærin, blástursopið, við bægslin og á maganum.
Snerting virðist vera mikilvægur þáttur í samskiptum hvala, bæði til að viðhalda virðingarröð innan hópa og sem hluti mökunaratferlis flestra tegunda. Kýr og kálfar nudda sér oft saman til að styrkja tengsl og öryggistilfinningu kálfsins.