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初生幼體的吻部仍有少量剛毛，大部分種類在成長中褪去，小部分種類保留終身），汗腺和皮脂腺也隨著鯨類最終完全水生而退化。
鯨類身軀肥圓，略呈桶狀，側看呈流線形。多數種類頸椎癒合，頭與身體直接相連，無法在身體不動的情況下扭轉頭部。前肢特化為鰭狀肢，內部仍有趾骨殘留。後肢完全退化，僅存 1對小骨片。軀幹後部為尾柄，尾末左右兩端擴充套件形成水平的尾鰭，可上下搖擺，推動身體前進。多數鯨類長有背鰭，立於脊背後方或背中央。眼小，無瞬膜和淚腺，視力較差。無耳廓，僅有微小的耳孔，但在水中和空氣中均有良好的聽力。外鼻孔位於頭頂，俗稱噴氣孔。用肺呼吸，肺左右各 1葉。胃分 3室。除淡水豚外的鯨類都有 1層豐厚的脂肪，藉此保溫、減少身體比重和增加浮力，有助於游泳和出水換氣。氣管和食管完全分離，因而不能用嘴呼吸。
鬚鯨口內無齒，上頜兩側各有 150－400縷角質鯨鬚；鯨鬚的顏色、數目和形狀因種而異，是分類的重要依據；它們利用鯨鬚在海水中濾食磷蝦、小魚、頭足類和貝類，食物直接吞入腹中，不加以咀嚼。鬚鯨是世界上體型最大的一類動物，且雌性大於雄性。鬚鯨中最小的小露脊鯨體長也超過 5米，而最大的藍鯨更是史上最大的動物，可達 33米長、近 200噸重。鬚鯨頭部極大，如露脊鯨科的頭可達體長的 1/3，最多可佔體重的 40%；頭頂偏後處有一對（兩個）外鼻孔；僅有 1－2對肋骨與小型胸骨相連，無鎖骨；鰭肢一般 4趾；所有鬚鯨均有盲腸。鬚鯨通常喜歡溫度較低且食物豐足的海水，會游到赤道附近產下後代，在此過程中可數月不進食，以其脂肪儲備為能量來源。
齒鯨有各種形狀的牙齒，如圓錐形（海豚科及抹香鯨）、鏟形（鼠海豚科）、釘形（白鯨）、長矛形（獨角鯨）等；雌喙鯨的牙齒隱於牙齦內，大部分雄喙鯨只有 2顆短牙；雄獨角鯨和 15%的雌獨角鯨有突出嘴外的 1－2顆長牙，構成牙齒的百萬個細胞能感測水溫、壓強及鹽度。齒鯨捕食魚類、頭足類、甲殼類等，和鬚鯨一樣不會咀嚼食物；某些齒鯨（如虎鯨）會捕食哺乳動物，獵物包括鰭足類和其他鯨類。齒鯨的體型差異較大，從 1米長的侏海豚到 18米長的抹香鯨不等，多數種類雄性大於雌性。許多齒鯨為兩性異形，外貌因性別而有很大不同，可能是為了便於雄性求偶或彰顯攻擊性而形成的。齒鯨的頭頂偏後處有單個外鼻孔（抹香鯨的外鼻孔位於頭部左前方）；鰭肢一般 5趾；擁有相當發達的聲吶
