Các loài cá voi đã tiến hóa từ các động vật có vú sống trên đất liền (có thể nhất có lẽ là từ tổ tiên chung là các dạng động vật ăn thịt có móng guốc, cùng nhánh chị em đồng tiến hóa kia là các động vật guốc chẵn (Artiodactyla) như lợn và hà mã. Chúng có lẽ đã thích nghi với cuộc sống đại dương vào khoảng 50 triệu năm trước. Theo giả thuyết mới của Thewissen vừa công bố, động vật biển có vú, gồm cá voi và cá heo, có tổ tiên là Indohyus hoặc động vật nhỏ có vú sống trên cạn là bà con gần với Indohyus. Chúng chuyển từ ăn cỏ sang ăn thịt khi kiếm ăn dưới nước và chuyển dần xuống sống hẳn dưới nước. Cấu tạo cơ thể chúng cũng biến đổi dần để thích nghi môi trường sống mới, chân bị thoái hóa và mất khả năng đi lại trên cạn khoảng 40 triệu năm trước.