Los flancos y la superficie superior del tiburón ballena suelen ser de color gris a azul, con manchas blancas (exclusivas de cada individuo) entre rayas verticales y horizontales que representan un tablero de ajedrez. La cabeza es ancha y aplanada, con una gran boca terminal de hasta 1,5 metros de ancho. Sus ojos son pequeños en comparación con el tamaño del cuerpo y están situados justo detrás de la boca. Hay tres crestas prominentes a lo largo de la espalda y cinco grandes hendiduras branquiales a ambos lados de la cabeza, justo delante de las aletas pectorales. La primera aleta dorsal se encuentra en la mitad del cuerpo y es mucho más grande que la segunda.

Los informes sobre tamaños máximos son muy poco fiables. El mayor individuo confirmado tenía una longitud de 12,65 metros, pero se cree que alcanzan entre 18 y 20 metros. Lo mismo ocurre con el peso: el ejemplar más pesado confirmado fue un tiburón de 21,5 toneladas métricas, pero se cree que pueden alcanzar más de 30 toneladas métricas. Se desconoce la tasa de crecimiento debido a la falta de datos y a problemas logísticos para obtener datos precisos sobre la edad. La edad máxima se estima en 100 años.

También se desconoce, hasta la fecha, cuál es su ciclo reproductivo o dónde dan a luz, aunque sí sabemos que paren crías vivas. En Galápagos, 90% de los tiburones ballena avistados parecen ser hembras preñadas, aunque se sigue investigando para descubrir por qué.