海洋哺乳動物在寒冷的水中利用行為和生理兩類應答,來保持核心體溫，一種典型的行為應答就是遷徙洄游,例如冬天懷孕的露脊鯨會從加拿大和美國新英格蘭地區沿岸水域洄游到佐治亞和佛羅里達州沿岸較溫暖的水域產仔。
而龐大的體型則是生理適應性應答,大多數海洋哺乳動物都是這樣，這意味著需要身體表面積與體積之比相對較低。(隨著三維物體的增大,物體體積的增長率大於表面積的增長率。)由於皮膚是與外界環境交換熱量的場所，因而與龐大的發熱身體組織相比,大型哺乳動物擁有的皮膚面積越小,就越能有效地保持身體熱量。
海洋哺乳動物身上還長有毛或海獸脂,或者兩者都有,因此擁有傑出的隔熱能力。在已知所有哺乳動物中,海獺的毛是最濃密的，每平方釐米表皮擁有13萬根毛。處於乾燥狀態的毛隔熱效果最好,因為它們能在皮膚表面截留一層空氣,而空氣是一種很好的絕熱體。相比之下,水則是一種高效熱傳導體,在相同的溫度下,水從體內帶走熱量的速度比空氣快25倍。海獺身上的毛非常密實,甚至當它潛入水中時,也能在海獺皮膚表面截留一層空氣。
大多數時間生活在水裡的哺乳動物更依賴海獸脂。這是一種特別的皮膚層,除了脂肪外,還含有膠原蛋白和彈性蛋白,它的隔熱保暖和能量儲存能力比人類脂肪強很多。動物身上的海獸脂數量各不相同。新生鼠海豚堆積的海獸脂最多,約佔身體總質量的43%。
在某些情況下,營養不良或健康狀況較差的海洋哺乳動物很難在數量和質量上維持正常的海獸脂供應,因而有可能在極端溫度環境下死亡。換言之,如果它們被帶到自然棲息地以外的地方,那麼在一些不適宜它們生存的環境壓力下,它們可能會死亡。
海洋哺乳動物皮膚和其他哺乳動物皮膚一樣受溫度傳感神經細胞支配。這些特殊動物肯定擁有感知溫度的能力,它們對溫度剌激響應明顯,但它們對傳遞來的這種刺激感受如何？——就例如,它們是否感到不適—卻是個難以回答的問題。
