Cetacea stammen van dezelfde zoogdier-voorouders af die evolueerden tot de huidige even hoevigen. (herten, kamelen, varkens, ...). Het onderzoek naar de evolutie van de Cetacea baseert zich op dikwijls onvolledige fossiele overblijfselen. Bijvoorbeeld, de anatomie van de grijze walvis Eschrichtius robustus, vertoont bepaalde unieke kenmerken, hetgeen er op wijst dat hij ��n van de oudste oorsprong is. Doch dit is tegenstrijdig met het feit dat gevonden fossielen slechts ca. 100,000 jaar oud blijken. De fossiele botten van toen zijn praktisch niet te onderscheiden van de botten van de huidige grijze walvis. Primitieve zoogdieren die op walvissen lijken (Archaeocetes) ontwikkelden zich gedurende de Eocene periode in de brakke trechtermondingen avn de Tethys zee, hetgeen nu bekend is als het Middellandse Zee-Arabische golf gebied. De oudste bekende fossiele Archaeocetes is de Pakicetus die ongeveer 50 miljoen jaar geleden leefde. De Archaeocetes zijn op het einde van de Eocene periode uitgestorven (37 miljoen jaar geleden). Gedurende de volgende Oligocene periode hebben zich twee speciale, op walvissen lijkende, zoogdierengroepen ontwikkeld. Squalodontids, Kentriodontids en andere odontocete groepen hebben manieren ontwikkeld om andere dieren te vangen, hun lange getande kaken maken het hen mogelijk om snelbewegende prooien te jagen. De Cetotheriidae (de vroege mysticetes) hebben een grote mond ontwikkeld en leven van zwermen zooplankton, ze werden traag-zwemmende filterende eters - toen baleinen geleidelijk hun tanden vervingen. Doch uiteindelijk stierven al deze groepen uit aan het einde van de tertiaire periode. Gedurende de evolutie ontwikkelde zich een gestroomlijnde lichaamsvorm met de verplaatsing van de neusgaten bovenin het hoofd, gepaard gaande met een uitgesproken verlenging van de schedel waarin de kaken en gezichtsbeenderen zich naar voren uitstrekken ten opzichte van de benige ingang van het neusgat in de schedel. Haar verdween, tepels en genitali�n werden verborgen in spleten in de lichaamswand. De externe oorflappen verdwenen, waardoor er enkel een opening overblijft. De twee voorste ledematen werden platte vinnen (waarin de vingers, het hand en onder- en opperarmbeenderen nog herkenbaar zijn) die rond de schouderverbinding draaien voor hydrodynamische stabiliteit en om te sturen. De achterste ledematen en het bekken verdwenen bijna compleet, enkel losse botjes blijven over in de zijspieren. Vezelachtige, horizontale platte staartvinnen hebben zich ontwikkeld voor de voortstuwing. Doorheen de millenia van de tertiaire periode, geholpen door continentale drift met geografische wijzigingen in de zeeroutes, werd de verspreiding van walvissen rond de hele wereld mogelijk gemaakt. Ten gevolge van oceanografische of fysische hindernissen hebben populaties zich kenmerkend verschillend ontwikkeld. Ook wanneer hun verblijfplaats veranderde, zijn er verdere structurele verbeteringen en aanpassingen opgetreden. Fossielen van walvissen, met herkenbare eigenschappen van hedendaagse exemplaren, kunnen nagetrokken worden tot 23-25 miljoen jaar geleden in de vroege Miocene periode, zoals potvissen (Physeteridae), rivierdolfijnen (Platanistidae), spitssnuitdolfijnen (Ziphiidae) en �right� walvissen. Huidige vormen van de bultruggen (Megaptera novaeangliae), de blauwe walvis (Balaenoptera musculus), de vinvissen (B. Physalus) en bruinvissen (Phocoenidae), werden in fossiele vorm tot 10-11 miljoen jaar geleden gevonden (de late Miocene periode). Dolfijnen (inclusief de zwaardwalvissen Orcinus orca en �pilot� walvissen Globicephala), de Beluga (Delphinapterus leucas), en de Narwal (Monodon monoceros) zijn voorbeelden van de meest recent ontwikkelde Cetacea. Alle huidige Cetacea bestonden reeds 5 miljoen jaar geleden in de Pliocene periode, maar hun verspreiding was toen nog aan het veranderen. Bruinvissen komen waarschijnlijk voort uit de koude noord- en zuidpoolzee, uitwaaierend naar andere delen van de wereld, slechts 4 miljoen jaar geleden. De fossiele overblijfselen van de oudst bekende Narwals en Beluga�s zijn in Californi� en Mexico gevonden, terwijl ze vandaag vooral in Arctische gebieden verspreid zijn.