Desde el punto de vista anatómico, muchas características de los cetáceos muestran un alto grado de adaptación a la vida marina. Sin embargo, la evidencia anatómica es insuficiente para responder muchas preguntas sobre los orígenes de los cetáceos. Pero desde una perspectiva bioquímica y genética, los cetáceos están estrechamente relacionados con los ungulados, y el registro fósil (hace unos 50 millones de años) también respalda que los cetáceos evolucionaron a partir de los ungulados.
Los antepasados de los cetáceos pueden ser ungulados terrestres de América del Norte, Europa y Asia: los Mesocarpacidae. Algunos miembros de los mesópodos son tan pequeños como los perros domésticos, mientras que otros son tan altos como los osos, pero muchos animales evolucionan de pequeños a grandes, por lo que las ballenas pueden haber evolucionado a partir de pequeños mesópodos.
Se especula que estos mesópodos, que tenían pocos dientes y vivían en aguas poco profundas, se transformaron gradualmente en formas de vida anfibias y luego, en el largo proceso de evolución, se convirtieron en las diversas ballenas y delfines de la actualidad.
Las primeras ballenas conocidas son los arqueocetaceos (Protocetidae).
Todos los océanos primarios aparecieron hace 50 millones de años y los fósiles se distribuyen en Asia, África y América del Norte. Los científicos están aprendiendo más sobre Pakicetus, un fósil de una criatura que vivió hace entre 53 y 50 millones de años en el actual Pakistán. Es un animal con ventrículo estrecho y extremidades traseras, y sus fosas nasales (fosas nasales) están movidas hacia atrás. La evidencia fósil encontrada también en formaciones rocosas de la India también muestra que había diferencias ecológicas inimaginablemente altas entre los primeros cetáceos.
Los cetáceos más avanzados son los arcosáuridos, que antiguamente eran considerados reptiles. Los animales de esta familia vivieron hace aproximadamente 45 a 38 millones de años. Aunque fueron descubiertos por primera vez por geólogos estadounidenses en Luisiana, se encuentran ampliamente fósiles similares en Nueva Zelanda e incluso en la Antártida. Este descubrimiento demuestra que las arqueas se extendieron a los mares del sur hace 40 millones de años.
Otro clado de arqueas más avanzadas es Dorudontinae, que contiene al menos 6 especies de animales. Tenían mandíbulas superiores estrechas y probablemente se alimentaban por filtración. Alternativamente, como la mayoría de las ballenas dentadas, pueden utilizar esta estructura para capturar rápidamente peces, calamares y aves.
Tras un largo proceso evolutivo, Archaea finalmente se extinguió en el Oligoceno. Las otras dos ramas de la familia de los cetáceos, Mysticeti y Odontoceti, han surgido del pasado y engendraron casi 80 fascinantes especies de criaturas en 13 familias, enriqueciendo la vitalidad de nuestros océanos.