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類祖先在離開海洋 2.5億年後重返海洋，被稱作“二次入水”，是進化史上一次罕見的重大轉折事件。
鯨類在生理及結構上都發生了顯著的改變以適應水中生活，例如具有增厚的皮下脂肪層（鯨油），長時間潛水及回聲定位的能力，同時具有強大的肌肉系統支援水中運動等。
最早出現的鯨類為原鯨科，生活在 5000萬年前，化石分佈在亞洲、非洲及北美。科學家對於在現今巴基斯坦發現的巴基鯨瞭解較多，這個生活在約 5300萬年前的生物化石，頭部鼻孔已移向後方，具有狹長腦室，且仍具有後肢。
較先進的古鯨，是曾經被認定為爬行動物的械齒鯨科，該科大約存活在 3800－4500萬年前，類似的化石也廣泛的在紐西蘭甚至南極被發現。這顯示古鯨在 4000萬年前便已擴散到南半球。
較先進的古鯨中另一分支，是至少包含有 6種動物的硬齒鯨亞科，它們有較窄小的上顎，可能為濾食性；或是像現生大多齒鯨般，能藉此構造迅速夾住魚、烏賊及鳥。
經歷漫長的演化過程後，古鯨的各個支系在漸新世逐漸滅絕，僅有兩個分支繁衍至今，即鬚鯨和齒鯨。
現代鯨類分為鬚鯨小目和齒鯨小目，都演化自古鯨小目，在 3400萬年前的漸新世初期便已分化。古鯨小目實際上是個並系群，包含了已滅絕的古代鯨類的最近共同祖先，但未包含其最近共同祖先的所有後代（即現代鯨類）。
鬚鯨小目種類較少，現存約 15種，分屬 4科：露脊鯨科、新鬚鯨科（或小露脊鯨科）、鬚鯨科、灰鯨科。鬚鯨口內無齒，上頜長有簾幕般的角質鯨鬚，濾食磷蝦、頭足類等。體積龐大，體長至少 6米。鬚鯨有兩個鼻孔，換氣時可以噴出兩股水柱。
齒鯨小目種類繁多，現存約 75種，分屬 9科：抹香鯨科、小抹香鯨科（侏儒抹香鯨科）、恆河豚科（淡水豚科）、喙鯨科（劍吻鯨科）、亞河豚科、拉河豚科、海豚科、鼠海豚科、獨角鯨科（一角鯨科），另有 1個單型的白鱀豚科，被認為已於 21世紀初功能性滅絕。齒鯨口內無須，但有牙齒，多呈圓錐狀，主要以烏賊、魚類為食。鼻孔只有一個。體型差異較大，從 1米長的侏海豚到 18米長的抹香鯨不等，通常雄性大於雌性。
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