海洋哺乳动物在寒冷的水中利用行为和生理两类应答,来保持核心体温，一种典型的行为应答就是迁徙洄游,例如冬天怀孕的露脊鲸会从加拿大和美国新英格兰地区沿岸水域洄游到佐治亚和佛罗里达州沿岸较温暖的水域产仔。
而庞大的体型则是生理适应性应答,大多数海洋哺乳动物都是这样，这意味着需要身体表面积与体积之比相对较低。(随着三维物体的增大,物体体积的增长率大于表面积的增长率。)由于皮肤是与外界环境交换热量的场所，因而与庞大的发热身体组织相比,大型哺乳动物拥有的皮肤面积越小,就越能有效地保持身体热量。
海洋哺乳动物身上还长有毛或海兽脂,或者两者都有,因此拥有杰出的隔热能力。在已知所有哺乳动物中,海獭的毛是最浓密的，每平方厘米表皮拥有13万根毛。处于干燥状态的毛隔热效果最好,因为它们能在皮肤表面截留一层空气,而空气是一种很好的绝热体。相比之下,水则是一种高效热传导体,在相同的温度下,水从体内带走热量的速度比空气快25倍。海獭身上的毛非常密实,甚至当它潜入水中时,也能在海獭皮肤表面截留一层空气。
大多数时间生活在水里的哺乳动物更依赖海兽脂。这是一种特别的皮肤层,除了脂肪外,还含有胶原蛋白和弹性蛋白,它的隔热保暖和能量储存能力比人类脂肪强很多。动物身上的海兽脂数量各不相同。新生鼠海豚堆积的海兽脂最多,约占身体总质量的43%。
在某些情况下,营养不良或健康状况较差的海洋哺乳动物很难在数量和质量上维持正常的海兽脂供应,因而有可能在极端温度环境下死亡。换言之,如果它们被带到自然栖息地以外的地方,那么在一些不适宜它们生存的环境压力下,它们可能会死亡。
海洋哺乳动物皮肤和其他哺乳动物皮肤一样受温度传感神经细胞支配。这些特殊动物肯定拥有感知温度的能力,它们对温度剌激响应明显,但它们对传递来的这种刺激感受如何？——就例如,它们是否感到不适—却是个难以回答的问题。