Les courants ascendants qui balaient ses crêtes sablonneuses transportent des eaux riches en nutriments provenant de l'Atlantique profond, créant l'un des terrains d'alimentation les plus productifs de l'Atlantique Nord. Les baleines à bosse y reviennent chaque printemps, certaines parcourant 3 000 miles (4 800 km) depuis les eaux de reproduction des Caraïbes, pour se gaver de lançons et de harengs qui forment des bancs denses au-dessus du plateau. Le sanctuaire a été désigné en 1992, protégeant 842 miles carrés (2 180 km²) d'océan ouvert entre Cape Ann et Cape Cod, et abrite aujourd'hui une population documentée de plus de 900 baleines à bosse individuelles, dont beaucoup sont identifiées par les motifs de leurs nageoires caudales et des numéros de catalogue conservés par des institutions de recherche.
Les excursions d'observation des baleines à Plymouth partent de Town Wharf et atteignent la limite ouest du sanctuaire en 45 à 60 minutes, traversant la baie du Massachusetts où le plateau continental plonge brusquement dans le bassin de Stellwagen. Le banc lui-même attire les rorquals communs — le deuxième plus grand animal sur Terre — et les petits rorquals, qui effleurent la surface lors de courses rapides et saccadées. Les rorquals boréaux et la baleine noire de l'Atlantique Nord, en danger critique d'extinction, passent également par là, bien que les observations soient moins prévisibles. Les naturalistes marins à bord de la plupart des navires assurent l'identification des espèces en temps réel et transmettent les photos des nageoires aux bases de données de recherche, transformant chaque croisière en une opportunité de science participative.
La géologie de Stellwagen Bank dicte le comportement de ses visiteurs. Les lançons s'enfouissent dans les sédiments grossiers du banc pendant la journée, émergeant au crépuscule pour se nourrir de zooplancton. Les baleines à bosse exploitent ce rythme, exécutant des manœuvres de chasse au filet de bulles qui piègent des bancs entiers dans des colonnes d'air ascendantes. Les observateurs en surface ne voient que l'assaut final — mâchoires béantes, sillons de la gorge distendus — mais des hydrophones captent les vocalisations coordonnées qui chorégraphient la chasse en dessous. Les rorquals communs, en revanche, se nourrissent seuls, leurs corps de 70 pieds (21 mètres) fendant les bancs de krill à des vitesses dépassant 20 nœuds.
Les avis sur l'observation des baleines à Plymouth soulignent systématiquement la proximité des rencontres. Les directives fédérales interdisent aux navires de s'approcher à moins de 100 yards (91 mètres), mais les baleines font souvent surface à côté des bateaux, curieuses ou indifférentes à la présence humaine. Les sauts hors de l'eau — des bonds complets du corps — se produisent sans avertissement, l'impact étant audible à un mile de distance. Les battements de queue, les saluts des nageoires pectorales et le spy-hopping (saut vertical la tête hors de l'eau) sont enregistrés sur des milliers de photos d'observation des baleines à Plymouth chaque saison, dont beaucoup sont publiées dans des revues de biologie marine. Le sanctuaire reste ouvert toute l'année, bien que la haute saison s'étende de mai à octobre, lorsque la prolifération du plancton atteint sa densité maximale.
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