La evolución de los cetáceos fue perfectamente adaptada a la vida acuática, cuyos ancestros caminaban sobre la tierra. Algunos de los indicadores de sus ancestros terrestres son que respiran aire de la superficie; los huesos de sus aletas pectorales son semejantes a las manos de mamíferos terrestres; al nadar presentan un movimiento vertical (y no horizontal, como los peces) parecido al movimiento de un mamífero corriendo.
La teoría tradicional de la evolución de los cetáceos dice que las ballenas estaban relacionadas con los Mesonychia, una orden extinta de ungulados (mamíferos que se apoyan y caminan con el extremo de los dedos, revestidos de una pezuña) carnívoros, parecidos a lobos con pezuñas, con dientes triangulares, similares a los de las ballenas.
Sin embargo, a principios de los 1990’s, los análisis de ADN indican que las ballenas deben incluirse el entre los Artiodáctilos (grupo hermano de los Mesonychia) Muy probablemente sean un grupo hermano de los Hippopotamidae; en otras palabras, las proto-ballenas eran artiodáctilos tempranos.
Ancestros de los cetáceos actuales
La primera proto-ballena, Pakicetus, apoya estos estudios, pues no derivan directamente de los Mesonychia, sino de los Artiodáctilos. Parecían perros con pezuñas y colas gruesas y largas. Su relación con las ballenas se observa en la peculiar estructura de su sistema auditivo, particular de los cetáceos actuales.
El Ambulocetus, descubrimiento reciente, era un animal que parecía un cocodrilo mamífero de tres metros de largo, claramente anfibio (adaptado tanto a la vida marina como a la terrestre) el cuál nadaba con ondulaciones verticales, como las focas, nutrias y ballenas, pero todavía conservaban sus extremidades posteriores, que si bien estaban mejor adaptadas para nadar, le permitían desplazarse en tierra firme. Sus conductos nasales se encontraban en la punta del hocico, como en los mamíferos terrestres.
Los Protocetos hasta ahora conocidos conservaban extremidades largas (tanto anteriores como posteriores) para sostener sus cuerpos en tierra, aunque estaban adaptados tanto para esa vida, como para la marina. Sus aberturas nasales se encontraban a la mitad del hocico.
El Basilosaurus, al principio fue confundido con un reptil (de ahí su nombre) y el Dorudon eran cetáceos reconocibles que vivieron hace 38 millones de años. Vivían enteramente en el océano y a pesar de la similitud con los cetáceos actuales, ni los basilosáuridos o los dorudóntidos tenían el gran órgano graso conocido como el melón, con lo que los cetáceos de hoy modulan los sonidos de la ecolocalización. Tenían cerebros pequeños, eran solitarios y no tenían una compleja estructura social. Los Basilosaurus tenían dos pequeñas pero bien formadas patas traseras, probablemente utilizadas como ancla para el apareamiento, pero que no estaban conectadas con la columna vertebral, como en los Protocetos.
Los Mysticeti modernos o ballenas verdaderas, son las ballenas que utilizan barbas para filtrar la comida del agua, en vez de dientes y tienen dos orificios nasales (espiráculos) en la parte superior del cráneo. Los cambios en la alimentación probablemente se debieron a los cambios ambientales y físicos de los océanos, dando origen a las formas arcaicas de cetáceos y evolucionando en lo que son actualmente. Miembros de éste suborden: ballena boreal, rorcual, ballena jorobada, ballena gris, ballena pigmea y ballenas francas.
Los Odontoceti poseen dentadura, un sólo espiráculo y una frente abultada, debido al melón (órgano utilizado en la ecolocalización) Sus principales alimentos, dependiendo de la especie son: calamares, pulpos, crustáceos, peces y a veces leones marinos y aves acuáticas. Miembros de este suborden: delfines océanicos, orcas, delfín de amazonas, baiji, delfin del Plata, delfin del Ganges y el Indo, marsopa, cachalote, cachalotes enano y pigmeo, berardio, zifio, beluga y narval.
