De nombreuses substances chimiques (exemples : hydrocarbures, DDT et PCB) sont rejetées dans l’océan dans le cadre du trafic maritime, d’activités industrielles, agricoles et urbaines ou s’accumulent dans l’océan (exemple : débris de plastique). Les cétacés semblent y être particulièrement sensibles et présentent d’importants taux de mercure et de plomb. Bien que les effets de ces pollutions soient encore relativement peu étudiés, ses conséquences sur les cétacés sont dangereuses, voire mortelles : affaiblissement du système immunitaire (et donc surexposition aux maladies), effets sur les hormones, intoxication des nouveaux nés, échouage,…
La plus connue de ces pollutions chimiques est la pollution aux hydrocarbures. Cette pollution entraîne de graves maladies. Elle peut également provoquer des échouages. Par exemple, 745 cétacés se sont échoués suite à la marée noire de 2010 dans le golfe du Mexique. Il faut cependant savoir que les échouages causés par cette pollution ne représentent qu’un petit pourcentage des animaux morts (peut-être 2%) et que le nombre total de victimes est bien plus élevé.