Rekiny wielorybie występują w ciepłych wodach tropikalnych i subtropicalnych na całym globie.
Są silnie migracyjne, przebywając ogromne odległości w otwartym oceanie. Często spotykane są w Zachodnim Pacyfiku (Filipiny, Indonezja, Tajwan), Wschodnim Pacyfiku (Meksyk, Wyspy Galapagos), Oceanie Indyjskim (Sejszele, Malediwy, Sri Lanka) i Oceanie Atlantyckim (Belize, Honduras, Morze Karaibskie).
Najbardziej liczne są w regionach o wysokiej koncentracji planktonu, ich głównym pokarmie. Rekiny wielorybie nie są ograniczone do konkretnego obszaru geograficznego i można je spotkać w różnych lokalizacjach w zależności od dostępności planktonu i temperatury wody.