Les coccinelles sont classées, d'après leur régime alimentaire, en insectes polyphages (phytophages, prédateurs aphidiphages ou coccidiphages), ce qui est un des facteurs principaux de leur succès évolutif.
Certaines espèces de coccinelles peuvent dévorer jusqu'à cent cinquante pucerons par jour. Chaque espèce a une alimentation bien spécifique, et les coccinelles peuvent ainsi être regroupées selon leur régime alimentaire :
les coccinelles phytophages, comme Subcoccinella vigintiquatuorpunctata ou Henosepilachna vigintioctopunctata (coccinelle de la pomme de terre), qui se nourrissent de végétaux, et peuvent causer des dégâts à certaines espèces végétales cultivées ;
les coccinelles mycophages, qui mangent des champignons, comme l'oïdium ;
les coccinelles aleurodiphages, qui se nourrissent d'aleurodes ;
les coccinelles acariphages, qui se nourrissent d'acariens, ont une très petite taille, de moins d'un millimètre ;
les coccinelles aphidiphages, qui se nourrissent de pucerons, parmi lesquelles se trouvent les plus connues et les plus colorées (comme la coccinelle à sept points, Coccinella septempunctata) ;
les coccinelles coccidiphages, qui se nourrissent de cochenilles, limitent leur prolifération sur diverses espèces végétales cultivées, notamment l'olivier.
Selon une étude publiée mi-2007, le puceron du chou, Brevicoryne brassicae, peut utiliser et mimer le système de défense chimique de sa plante-hôte. La larve de ce puceron absorbe et emmagasine dans son hémolymphe certains métabolites protéiques, les glucosinolates, qui protègent le chou de ses prédateurs, et, comme le chou, le puceron produit une enzyme, la myrosinase, ou la glucohydrolase de β-sulfoglucoside, qui catalyse l'hydrolyse des glucosinolates, synthétisant ainsi des produits biologiquement actifs. L'étude montre que les larves de coccinelles Adalia bipunctata (espèce dont les larves d'élevage sont souvent vendues dans les jardineries pour les particuliers) nourries avec des larves de pucerons de cette espèce ont un faible taux de survie, alors qu'il est normal, si elles consomment ce puceron adulte et ailé. La forme ailée n'emmagasine presque plus de glucosinolates (sinigrine notamment), et en excrète même dans le miellat. Ce sont bien les glucosinolates qui sont en jeu, car des larves de pucerons élevées avec un régime sans glucosinolates sont consommées sans effet négatif par les larves de coccinelles, que les pucerons soient au stade ailé ou non, alors que les formes ailées nourries avec un régime à un pour cent de sinigrine sont toxiques pour les larves de coccinelles qui les consomment. Les pucerons ailés sont donc plus vulnérables aux larves de coccinelles mais leur capacité de voler pourrait compenser cette carence, leur permettant d'échapper aux coccinelles et de coloniser d'autres milieux.
Il resterait à vérifier si une part de la toxicité que la coccinelle présente envers ses prédateurs ne provient pas également des proies qu’elle ingère ; ce phénomène a été constaté chez d’autres groupes d’espèces prédatrices aux couleurs vives, comme les dendrobates. Il pourrait s'agir d'un phénomène de coévolution et de convergence évolutive. Une autre coccinelle, la Coccinelle de la Bryone, Henosepilachna argus, est apte à se nourrir du suc de la Bryone dioïque, très toxique et ne semble vivre que sur cette plante.
La coccinelle asiatique (Harmonia axyridis), est une espèce aphidiphage : elle se nourrit de pucerons. Dès le début du XXe siècle, et surtout, vers la fin des années 1980, elle a été importée, en grand nombre, en Europe et aux États-Unis, dans le cadre de la lutte biologique. Étant plus grosse, elle résiste mieux à ses prédateurs. Cependant son comportement, sa prolificité et sa voracité en ont fait perdre le contrôle. Elle est désormais considérée comme nuisible pour de nombreuses espèces de coccinelles autochtones, dont elle envahit le territoire et qu'elle tend à éliminer. En Grande-Bretagne, sept des huit espèces endémiques ont enregistré une baisse de moitié de leur population entre 2004 et 2012, selon le « Center for Ecology and Hydrology ».
