La definición de ballena en sí es vaga. Los cetáceos pueden incluir todos los cetáceos, así como familias específicas de cetáceos. Los cetáceos también incluyen a todos los delfines. Los cetáceos se dividen principalmente en dos subórdenes: ballenas barbadas y ballenas dentadas. Hay menos especies de ballenas barbadas, pero son enormes. La especie más pequeña conocida mide más de 6 metros de largo, y el animal más grande del mundo, la ballena azul, es también una ballena barbada. Pero las formas de las ballenas dentadas son bastante diferentes. La especie más pequeña mide sólo unos 30 cm y el cachalote más grande mide más de 20 metros de largo. Las ballenas no son peces. Las ballenas son mamíferos.
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 animales mesoníquidos, que tenían pocos dientes y vivían en aguas poco profundas, se transformaron gradualmente en formas de vida anfibias durante su largo proceso evolutivo y luego se convirtieron en diversas ballenas y delfines.
Los primeros cetáceos son los cetáceos antiguos (antes Cetaceae).
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 la antigua ballena paquistaní, también conocida como pakicetus, que se encuentra hoy en Pakistán. Este fósil de una criatura que vivió hace entre 50 y 53 millones de años tenía ventrículos cerebrales largos y estrechos y todavía conserva extremidades traseras. 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 entre 38 y 45 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. Tienen mandíbulas superiores estrechas y pueden filtrarse. 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 se extinguió en el Oligoceno. Sin embargo, las otras dos ramas de la familia de los cetáceos, los criptocetos y los odontocetos, han dado lugar a cerca de 65.438.000 especies en 65.438,07 familias.