Knølhval finnes i alle verdenshav. Om vintrene oppholder de seg i tropiske områder hvor de får kalvene sine. De trekker så til høyere breddegrader om våren og tilbringer sommer og høst her. Knølhval fra et stort område i Atlanterhavet samles ved de Vestindiske øyer om vinteren, for så å spre seg til sine sommerområder som inkluderer norske farvann så langt nord som til Svalbard.

Det er beregnet at det er omkring 6000–8000 knølhval i det nordlige Stillehavet og rundt 10 000 i det nordlige Atlanterhavet. Beregninger for hele kloden finnes ikke. Knølhval er sosiale dyr som ofte finnes i små grupper. De har lange sesongmessige vandringer mellom varme forplantningsområder og kaldere høyproduktive områder hvor de spiser seg opp. De oppholder seg mest i kystnære farvann eller på kontinentalsokkelen. Knølhvalene er kjent for sin vokalisering – de har en svært variert sang, og særlig komplisert er sangen som hannene har i paringstiden. Alle individene i en populasjon har fellestrekk i sin sang, og disse endrer seg samtidig over tid. Knølhvalene er også kjent for sine spektakulære hopp opp i lufta. De har også mange ulike og spesielle måter å få i seg mat på. F. eks. kan flere hvaler samarbeide om å fange fisk ved å blåse ut luft under vann og samle fisken i et slags boblenett. Knølhvalene dykker ikke spesielt dypt, og gjennomsnittlig dykktid er rundt sju minutter, maksimalt registrert til oppimot 30 minutter. Knølhvalene har en variert diett bestående av krill og andre virvelløse dyr som finnes i større konsentrasjoner, samt små stimfisk som sild, lodde, sil og makrell. For knølhval er spekkhoggere den vanligste predatoren, og de tar særlig kalver.

Paringen foregår om vinteren, og svangerskapsperioden er 11 måneder, slik at de fleste kalvene fødes midtvinters det påfølgende år. Kalvene er sammen med mora det første året og følger henne da på den første lange næringsvandringen til høyere breddegrader. Det er stor konkurranse mellom hannene om retten til å pare seg, noe som resulterer i svært aggressiv adferd i denne perioden. Dyrene blir kjønnsmodne ved femårsalderen, og hunnene får stort sett en unge hvert annet år etter dette. Man antar at knølhvalene har en levealder på opptil 50 år.

Knølhvalene ble utsatt for en hard beskatning over lengre tid med kommersiell hvalfangst. Man antar at de fleste bestandene ble fangstet ned til 10% av opprinnelig bestandsstørrelse. Det ser likevel ut som om disse bestandene har kommet seg sterkt etter at fredningen ble innført. Urbefolkninger rundt om i verden tar noen få individer hvert år, mens den viktigste årsaken dødelighet i dag er at knølhvalene setter seg fast i fiskeredskaper eller kolliderer med båter. Knølhvalene er fredet på Svalbard.