Mnoho druhů velryb migruje.
Od konce prosince do začátku ledna začínají připlouvat do otelených lagun Baja. Tři nejpopulárnější laguny jsou Laguna Ojo de Liebre (dříve v angličtině známá jako Scammon’s Lagoon podle velrybáře Charlese Melvilla Scammona, který laguny objevil v 50. letech 19. století a lovil šedé,), San Ignacio a Magdalena.
Tyto první velryby, které dorazí, jsou obvykle březí matky, které hledají ochranu lagun, aby mohly rodit mláďata, spolu s osamělými samicemi, které hledají partnera. Od poloviny února do poloviny března dorazila do lagun převážná část populace, která je plní kojícími, telecími a pářícími se šedými velrybami.
Po celý únor a březen opouštějí laguny jako první samci a samice bez nových telat. Těhotné samice a kojící matky se svými novorozenci odcházejí jako poslední a odcházejí až ve chvíli, kdy jsou jejich telata připravena na cestu, což je obvykle od konce března do poloviny dubna. Často se několik matek zdrží se svými mláďaty až do května.
Koncem března nebo začátkem dubna je možné vidět vracející se zvířata od Everettu ve Washingtonu přes Pugetův záliv až po Kanadu.
Populace asi 200 šedých velryb zůstává po celé léto podél východního pobřeží Tichého oceánu od Kanady po Kalifornii a dál do vod Aljašky se nevydává. Tato letní skupina obyvatel je známá jako Pacific Coast Feeding Group (PCFG).
Velryby hrbaté obývají všechny hlavní oceány, v širokém pásu táhnoucím se od antarktického ledového okraje až k 77° severní šířky, i když ne ve východním Středomoří nebo v Baltském moři.
V Austrálii byly identifikovány dvě hlavní stěhovavé populace, u západního, respektive východního pobřeží. Tyto dvě populace jsou odlišné, pouze několik samic v každé generaci přechází mezi těmito dvěma skupinami.
Kresba velryby sei na známce Faerských ostrovů, vydáno 17. září 2001
Velryby sei žijí ve všech oceánech, i když jen zřídka v polárních nebo tropických vodách. Obtížnost odlišit je na moři od jejich blízkých příbuzných, Brydeových velryb a v některých případech od plejtváků ploutvovitých, vytváří nejasnosti ohledně jejich rozšíření a populace, zejména v teplejších vodách, kde jsou Brydeovy velryby nejběžnější.
V severním Atlantiku se její areál rozprostírá od jižní Evropy nebo severozápadní Afriky až po Norsko a od jihu Spojených států až po Grónsko. Nejjižnější potvrzené záznamy jsou o uvíznutí v severním Mexickém zálivu a ve Velkých Antilách. V celém areálu se velryba obvykle vyhýbá polouzavřeným vodním plochám, jako je Mexický záliv, záliv svatého Vavřince, Hudsonův záliv, Severní moře a Středozemní moře. Vyskytuje se převážně v hlubokých vodách, vyskytuje se nejčastěji nad kontinentálním svahem, v kotlinách ležících mezi břehy nebo v oblastech podmořských kaňonů.
V severním Pacifiku se pohybuje od 20°N do 23°N zeměpisné šířky v zimě a od 35°N do 50°N zeměpisné šířky v létě. Přibližně 75% populace v severním Pacifiku žije východně od mezinárodní datové linie, ale o rozšíření v severním Pacifiku je k dispozici jen málo informací. Dvě velryby označené v hlubokých vodách u Kalifornie byly později znovu uloveny u Washingtonu a Britské Kolumbie, což odhalilo možnou souvislost mezi těmito oblastmi, ale nedostatek dalších údajů o obnově značek činí tyto dva případy neprůkaznými. Na jižní polokouli se letní rozšíření založené na historických údajích o úlovcích pohybuje mezi 40 a 50°S zeměpisné šířky, zatímco zimní rozšíření není známo.
Obecně platí, že velryba sei migruje každoročně v létě z chladných a subpolárních vod do mírných a subtropických vod na zimu, kde je potravy více. V severozápadním Atlantiku pozorování a záznamy o úlovcích naznačují, že se velryby pohybují na sever podél okraje šelfu, aby do poloviny až konce června dorazily do oblastí Georges Bank, Severovýchodního kanálu a Browns Bank. U jižního pobřeží Newfoundlandu se vyskytují v srpnu a září a od poloviny září do poloviny listopadu začíná migrace na jih směřující na západ a na jih podél šelfu Nového Skotska. Velryby v Labradorském moři se mohou již v prvním červnovém týdnu pohybovat dále na sever do vod jihozápadně od Grónska později v létě. V severovýchodním Atlantiku velryba sei zimuje až v západní Africe a na jaře sleduje kontinentální svah na sever. Velké samice vedou migraci na sever a do Dánského průlivu se dostávají dříve a spolehlivěji než ostatní pohlaví a třídy, připlouvají v polovině července a zůstávají až do poloviny září. V některých letech zůstávají samci a mladší samice v letních měsících v nižších zeměpisných šířkách.
Přestože známe některé obecné migrační vzorce, přesné trasy nejsou známy a vědci nemohou snadno předpovědět, kde přesně se skupiny z roku na rok objeví. F.O. Kapel zaznamenal korelaci mezi výskytem západně od Grónska a vpádem relativně teplých vod z Irmingerova proudu do této oblasti. Některé důkazy z údajů o označování naznačují, že se jednotlivci vracejí z pobřeží Islandu každoročně.