鯨魚、海豚和鼠海豚等鯨類動物都屬於哺乳動物。鯨類動物的祖先曾經生活在陸地，後來又返回到海洋。現在有證據顯示，鯨類動物與河馬是近親關係，與反芻動物如牛和鹿也有親緣關係。
鯨類動物是陸地哺乳動物的後裔，這可以從鯨類動物的一些生理特徵上看出：鰭骨與陸地哺乳動物的前肢很相似；脊椎做垂直上下運動，與陸生動物的奔跑動作類似；更重要的一點是，它們都呼吸空氣。許多古代和現代鯨類動物都帶有其祖先的許多進化痕跡，如退化的後腿，某些鯨類動物仍利用其盆骨生育後代等。鯨類動物與其他哺乳動物的聯繫還可以通過基因證據加以證實。鯨類動物是陸地哺乳動物的後代，這已是毋庸置疑的了，但問題是，它們是何時從陸地進入水中的呢?
起源之謎
早在1693年，約翰·雷第一次指出，
“鯨魚是哺乳動物而非魚類”。1883年，亨利·弗勞爾進一步指出，“鯨魚擁有陸地哺乳動物的殘留特徵”，“是陸生哺乳動物的後裔，而非現代陸地哺乳動物的祖先”。弗勞爾同時也是最先將鯨魚與有蹄類動物聯繫起來的科學家之一。
有關鯨魚的祖先，科學家過去曾提出過各種假說。查爾斯·達爾文在1859年曾經提出：
“鯨類動物是熊的後代。”後因受到激烈批評，他撤回了自己的觀點。20世紀初期，愛伯哈德·弗拉斯和查爾斯·安德魯斯提出，“鯨類動物是一種已滅絕食肉動物——裂齒類動物的後代。”稍晚一些，W·D·馬太又提出，“鯨類動物可能起源於食蟲動物。”再後來，E·J·斯里皮爾試圖將以上兩種觀點結合起來，他指出：“鯨類動物起源於由裂齒動物進化來的食蟲動物。”
鯨類動物與中爪獸
有關鯨魚進化的最流行觀點出現於上世紀90年代，首先是李·範·韋林，後來是弗·斯·薩雷。他們發現，鯨魚的牙齒特徵與一種已滅絕的叫做“中爪獸”、
像長著蹄子的狼的食肉有蹄動物非常相似，兩種動物都長有獨特的三角形牙齒。除了牙齒相似之外，這種動物修長的口鼻部以及其他某些特徵都與鯨魚相似。基於以上原因，科學家認定，鯨類動物起源於中爪獸的一個種類。然而，最近的分子種系發生學(主要研究分子形狀，尤其是RNA、DNA和蛋白質，以確定親緣關係等)研究表明，鯨類動物實際上與偶蹄動物尤其與河馬的血緣關係更近。
巴基斯坦古鯨的發現為分子學研究結果提供了證據支持。對巴基斯坦古鯨的骨骼結構的研究結果說明，鯨魚並非直接起源於中爪獸，而是起源於偶蹄動物的—個種類(偶蹄動物包括很多種類，如駱駝、牛、鹿、豬、羚羊、長頸鹿、河馬等)，這種動物在與中爪獸類動物分道揚鑣後開始進入水中。換言之，原始鯨是一種早期的偶蹄動物，保留了其祖先中爪獸的許多特徵(如三角形牙齒等)，而現代偶蹄動物已經失去了這些特徵。有證據顯示，所有有蹄哺乳動物的最早的祖先至少在一定程度上食肉或食腐。今天的偶蹄動物和奇蹄動物經過進化，已轉變成食植動物。作為一種海洋溫血動物，鯨類動物需要更高的熱量才能在水中生存，它們因此保留了其遠祖中爪獸類動物的食肉特性。中爪獸類動物之所以被淘汰，是因為它們面臨後起食肉目動物的激烈競爭。它們已變成高度特化的食肉動物，而當時可食用的大型獵物仍然很少，因此，它們的適應性進化在面對新崛起的食肉動物時就變成了一種劣勢。
鯨魚與河馬
1985年，美國古生物學家文森特·桑裡奇通過比較血液蛋白質的相似性後發現，鯨類動物與河馬科動物存在親緣關係。1997年，科學家根據形態學證據和大約20個DNA樣品的研究結果，證明鯨類動物和偶蹄目動物可以組成一個叫做“鯨-偶蹄類的總目”。2005年，河馬科動物與鯨類動物之間的親緣關係得到了分子學研究的證實，為“鯨－偶蹄類動物”假說提供了證據支持。
分析證實，河馬與鯨魚擁有—個棲居於水中的共同祖先，生活在5000萬～6000萬年前。這種古老動物中的—個種群最終進入海洋，成為鯨類動物，而另—個種群進化成一種叫做碳獸的似豬動物，河馬是其唯一的後代。
早期鯨類動物的進化證據
巴基斯坦古鯨：
生活於5500萬，4900萬年前始新世早期。2001年，考古人員在巴基斯坦發現了一具鯨類動物顱骨化石，通過分析其形態特徵，科學家認為它屬於古代鯨類動物，尤其是其內耳骨結構與鯨類動物非常相似。現代鯨類動物和鯨類動物化石的耳朵都呈現這種結構特點，而且這種結構特點只有鯨類動物才具有，其他動物沒有。
巴基斯坦古鯨看上去非常像長著蹄子的犬科動物，尾巴又粗又長。最初，科學家認為巴基斯坦古鯨的耳朵是為適應水下生活而發生的一種適應性進化。然而，結合這種動物的其他生理特徵，科學家發現，這樣的耳朵實際上更適合於陸地生活。如果說巴基斯坦古鯨是鯨類動物的祖先，那麼鯨魚的水下聽覺系統一定是後來進化出來的。除此之外，巴基斯坦古鯨的牙齒也與後來出土的鯨魚化石牙齒非常相似，呈鋸齒狀三角形，很像鯊魚的牙齒，而鯊魚牙齒與現代鯨魚的牙齒非常相像。
印鏖霍斯：
生活於4900萬年前。印度霍斯的發現完全是一個偶然事件：在最早發現這個物種的顱骨化石的人去世後，他的妻子將化石送給了斯威森。有一天，斯威森的一位技術助手在無意間弄壞了這具顱骨化石，結果顯露出具有鯨魚特徵的內耳結構。印度霍斯只有貓那麼大，屬於食草動物，外形類似鹿。與巴基斯坦古鯨一樣，印度霍斯也擁有與鯨類動物一樣的內耳結構，以及又粗又長的尾巴。但是，與巴基斯坦古鯨相比，印度霍斯的骨骼更加粗厚，非常適合於水中行走。此外，其牙齒中的氧同位素含量與水生動物相同。這些都說明，印度霍斯更適於水中生活。
印度霍斯實際上並非現代鯨類動物的直接祖先，它只是從鯨類動物進化線上分化出來的一種動物，具有鯨類動物的某些特點，如內耳和粗骨骼。科學家認為，印度霍斯的進化過程與單孔類哺乳動物有相似之處，單孔類哺乳動物是目前仍保留早期哺乳動物原始形態的一種動物。與其他哺乳動物—樣，單孔類哺乳動物也生有毛髮，但是缺乏胎盤，卵生。單孔類動物與其他哺乳動物擁有同一祖先，但在哺乳動物進化出胎盤之前，就與其他哺乳動物在進化之路上分道揚鑣了。印度霍斯的進化也屬於這種情況。
走鯨：
生活於4800萬年前。走鯨是一種兩棲哺乳動物，棲居於古地中海沿岸的三角洲地帶，經常出沒於微成的溫暖河流裡。走鯨體長約3米，沒有耳廓，其捕獵行為可能非常像鱷魚，尤其擅長於水下伏擊。走鯨的骨骼結構說明，它們無論在陸地還是在水中，行動都不是很敏捷，因此只能靠伏擊來獵取食物。
與巴基斯坦古鯨和印度霍斯一樣，走鯨也擁有鯨類動物的內耳結構，是鯨魚的—個過渡類型。與巴基斯坦古鯨相比，走鯨已進化得更適合水中環境。走鯨的聽覺系統已完全適應水下環境，其鼻子結構已進化得使其能在水下吞嚥食物。走鯨科有三個屬，但目前只發現了其中兩個屬的頜骨碎片。走鯨在水中游泳時其身體與鯨類動物一樣上下襬動，而不像鱷魚或魚那樣左右擺動。
羅德候鯨：
生活於4600萬年前始新世中期。羅德侯鯨是原鯨科裡的—個屬。古生物學家吉格里奇通過研究羅德侯鯨屬動物，第一次證明鯨類動物與偶蹄動物存在親緣關係：羅德侯鯨的踝骨呈“雙軸”結構，這種結構特點只有偶蹄動物和鯨類動物具有，而其他哺乳動物的踝骨都是“單軸”結構。
羅德侯鯨擁有發達的水下聽覺，但仍不能像鯨類動物那樣通過尾巴游泳。尚不清楚羅德侯鯨是否生有鯨魚那樣的尾葉，但它們能用四肢划水，而將強勁有力的粗大尾巴當作方向舵使用。有科學家猜測，羅德候鯨像海獺那樣採用遊一滑方式游泳，而吉格里奇認為，羅德侯鯨的肢體比例使得它們更可能採用俄羅斯麝香鼠快速划動的游水方式。
羅德侯鯨體長約10米，除了具有以上特點之外，其脊椎具有明顯的過渡特徵。一段叫做骶骨的脊椎骨與骨盆直接相連，使其能在陸地上活動(具有早期陸地動物的特徵)。其他脊椎骨則變短，使得這種動物的前半身變得更加僵硬，利於水中活動。與此同時，其四肢也變短，身體呈現流線型。這些特徵具有鯨類動物的特點。羅德侯鯨既具有陸地哺乳動物祖先的特點，也擁有鯨類動物的特徵。
巴氏龍：
生活於4000萬～3400萬年前始新世晚期。巴氏龍屬於鯨類動物，1840年第一次被發現，曾被錯誤地歸類為海洋爬行動物，但很快被理查德·歐文重新劃人哺乳動物，不過保留了其爬行動物的名字。與其他早期鯨類動物不同，巴氏龍不是兩棲動物，它已進化成地地道道的海洋動物，其後腿已退化為殘肢，交配時用來抓抱配偶。
與其祖先相比，巴氏龍身體進化得更加修長，體長達到現代鯨魚的長度，有18米長，不太發達的肌肉組織說明它們不適合深潛。巴氏龍雖然看上去非常像現代鯨魚，但它們沒有形成瓜型額頭，而瓜型額頭是現代鯨類動物進行回聲定位的必備條件。巴氏龍腦容量不大，說明它們是一種獨居動物，沒有形成複雜的社會結構，這—點與現代鯨魚有較大差別。
鯊齒鯨：
生活於3300萬～1400萬年前，是一種早期齒鯨類動物。齒鯨能通過發出一連串喀噠聲進行回聲定位，聲脈衝通過其瓜型前額髮出，碰到物體反射回來，再通過下顎接收信號。鯊齒鯨的顱骨結構顯示它們擁有回聲定位能力。鯊齒鯨的外貌特徵與現代齒鯨很相似：顱骨扁平，吻突變短，這些都是現代齒鯨所具有的典型特徵。
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