鲸鱼、海豚和鼠海豚等鲸类动物都属于哺乳动物。鲸类动物的祖先曾经生活在陆地，后来又返回到海洋。现在有证据显示，鲸类动物与河马是近亲关系，与反刍动物如牛和鹿也有亲缘关系。
鲸类动物是陆地哺乳动物的后裔，这可以从鲸类动物的一些生理特征上看出：鳍骨与陆地哺乳动物的前肢很相似；脊椎做垂直上下运动，与陆生动物的奔跑动作类似；更重要的一点是，它们都呼吸空气。许多古代和现代鲸类动物都带有其祖先的许多进化痕迹，如退化的后腿，某些鲸类动物仍利用其盆骨生育后代等。鲸类动物与其他哺乳动物的联系还可以通过基因证据加以证实。鲸类动物是陆地哺乳动物的后代，这已是毋庸置疑的了，但问题是，它们是何时从陆地进入水中的呢?
起源之谜
早在1693年，约翰·雷第一次指出，
“鲸鱼是哺乳动物而非鱼类”。1883年，亨利·弗劳尔进一步指出，“鲸鱼拥有陆地哺乳动物的残留特征”，“是陆生哺乳动物的后裔，而非现代陆地哺乳动物的祖先”。弗劳尔同时也是最先将鲸鱼与有蹄类动物联系起来的科学家之一。
有关鲸鱼的祖先，科学家过去曾提出过各种假说。查尔斯·达尔文在1859年曾经提出：
“鲸类动物是熊的后代。”后因受到激烈批评，他撤回了自己的观点。20世纪初期，爱伯哈德·弗拉斯和查尔斯·安德鲁斯提出，“鲸类动物是一种已灭绝食肉动物——裂齿类动物的后代。”稍晚一些，W·D·马太又提出，“鲸类动物可能起源于食虫动物。”再后来，E·J·斯里皮尔试图将以上两种观点结合起来，他指出：“鲸类动物起源于由裂齿动物进化来的食虫动物。”
鲸类动物与中爪兽
有关鲸鱼进化的最流行观点出现于上世纪90年代，首先是李·范·韦林，后来是弗·斯·萨雷。他们发现，鲸鱼的牙齿特征与一种已灭绝的叫做“中爪兽”、
像长着蹄子的狼的食肉有蹄动物非常相似，两种动物都长有独特的三角形牙齿。除了牙齿相似之外，这种动物修长的口鼻部以及其他某些特征都与鲸鱼相似。基于以上原因，科学家认定，鲸类动物起源于中爪兽的一个种类。然而，最近的分子种系发生学(主要研究分子形状，尤其是RNA、DNA和蛋白质，以确定亲缘关系等)研究表明，鲸类动物实际上与偶蹄动物尤其与河马的血缘关系更近。
巴基斯坦古鲸的发现为分子学研究结果提供了证据支持。对巴基斯坦古鲸的骨骼结构的研究结果说明，鲸鱼并非直接起源于中爪兽，而是起源于偶蹄动物的—个种类(偶蹄动物包括很多种类，如骆驼、牛、鹿、猪、羚羊、长颈鹿、河马等)，这种动物在与中爪兽类动物分道扬镳后开始进入水中。换言之，原始鲸是一种早期的偶蹄动物，保留了其祖先中爪兽的许多特征(如三角形牙齿等)，而现代偶蹄动物已经失去了这些特征。有证据显示，所有有蹄哺乳动物的最早的祖先至少在一定程度上食肉或食腐。今天的偶蹄动物和奇蹄动物经过进化，已转变成食植动物。作为一种海洋温血动物，鲸类动物需要更高的热量才能在水中生存，它们因此保留了其远祖中爪兽类动物的食肉特性。中爪兽类动物之所以被淘汰，是因为它们面临后起食肉目动物的激烈竞争。它们已变成高度特化的食肉动物，而当时可食用的大型猎物仍然很少，因此，它们的适应性进化在面对新崛起的食肉动物时就变成了一种劣势。
鲸鱼与河马
1985年，美国古生物学家文森特·桑里奇通过比较血液蛋白质的相似性后发现，鲸类动物与河马科动物存在亲缘关系。1997年，科学家根据形态学证据和大约20个DNA样品的研究结果，证明鲸类动物和偶蹄目动物可以组成一个叫做“鲸-偶蹄类的总目”。2005年，河马科动物与鲸类动物之间的亲缘关系得到了分子学研究的证实，为“鲸－偶蹄类动物”假说提供了证据支持。
分析证实，河马与鲸鱼拥有—个栖居于水中的共同祖先，生活在5000万～6000万年前。这种古老动物中的—个种群最终进入海洋，成为鲸类动物，而另—个种群进化成一种叫做碳兽的似猪动物，河马是其唯一的后代。
早期鲸类动物的进化证据
巴基斯坦古鲸：
生活于5500万，4900万年前始新世早期。2001年，考古人员在巴基斯坦发现了一具鲸类动物颅骨化石，通过分析其形态特征，科学家认为它属于古代鲸类动物，尤其是其内耳骨结构与鲸类动物非常相似。现代鲸类动物和鲸类动物化石的耳朵都呈现这种结构特点，而且这种结构特点只有鲸类动物才具有，其他动物没有。
巴基斯坦古鲸看上去非常像长着蹄子的犬科动物，尾巴又粗又长。最初，科学家认为巴基斯坦古鲸的耳朵是为适应水下生活而发生的一种适应性进化。然而，结合这种动物的其他生理特征，科学家发现，这样的耳朵实际上更适合于陆地生活。如果说巴基斯坦古鲸是鲸类动物的祖先，那么鲸鱼的水下听觉系统一定是后来进化出来的。除此之外，巴基斯坦古鲸的牙齿也与后来出土的鲸鱼化石牙齿非常相似，呈锯齿状三角形，很像鲨鱼的牙齿，而鲨鱼牙齿与现代鲸鱼的牙齿非常相像。
印鏖霍斯：
生活于4900万年前。印度霍斯的发现完全是一个偶然事件：在最早发现这个物种的颅骨化石的人去世后，他的妻子将化石送给了斯威森。有一天，斯威森的一位技术助手在无意间弄坏了这具颅骨化石，结果显露出具有鲸鱼特征的内耳结构。印度霍斯只有猫那么大，属于食草动物，外形类似鹿。与巴基斯坦古鲸一样，印度霍斯也拥有与鲸类动物一样的内耳结构，以及又粗又长的尾巴。但是，与巴基斯坦古鲸相比，印度霍斯的骨骼更加粗厚，非常适合于水中行走。此外，其牙齿中的氧同位素含量与水生动物相同。这些都说明，印度霍斯更适于水中生活。
印度霍斯实际上并非现代鲸类动物的直接祖先，它只是从鲸类动物进化线上分化出来的一种动物，具有鲸类动物的某些特点，如内耳和粗骨骼。科学家认为，印度霍斯的进化过程与单孔类哺乳动物有相似之处，单孔类哺乳动物是目前仍保留早期哺乳动物原始形态的一种动物。与其他哺乳动物—样，单孔类哺乳动物也生有毛发，但是缺乏胎盘，卵生。单孔类动物与其他哺乳动物拥有同一祖先，但在哺乳动物进化出胎盘之前，就与其他哺乳动物在进化之路上分道扬镳了。印度霍斯的进化也属于这种情况。
走鲸：
生活于4800万年前。走鲸是一种两栖哺乳动物，栖居于古地中海沿岸的三角洲地带，经常出没于微成的温暖河流里。走鲸体长约3米，没有耳廓，其捕猎行为可能非常像鳄鱼，尤其擅长于水下伏击。走鲸的骨骼结构说明，它们无论在陆地还是在水中，行动都不是很敏捷，因此只能靠伏击来猎取食物。
与巴基斯坦古鲸和印度霍斯一样，走鲸也拥有鲸类动物的内耳结构，是鲸鱼的—个过渡类型。与巴基斯坦古鲸相比，走鲸已进化得更适合水中环境。走鲸的听觉系统已完全适应水下环境，其鼻子结构已进化得使其能在水下吞咽食物。走鲸科有三个属，但目前只发现了其中两个属的颌骨碎片。走鲸在水中游泳时其身体与鲸类动物一样上下摆动，而不像鳄鱼或鱼那样左右摆动。
罗德候鲸：
生活于4600万年前始新世中期。罗德侯鲸是原鲸科里的—个属。古生物学家吉格里奇通过研究罗德侯鲸属动物，第一次证明鲸类动物与偶蹄动物存在亲缘关系：罗德侯鲸的踝骨呈“双轴”结构，这种结构特点只有偶蹄动物和鲸类动物具有，而其他哺乳动物的踝骨都是“单轴”结构。
罗德侯鲸拥有发达的水下听觉，但仍不能像鲸类动物那样通过尾巴游泳。尚不清楚罗德侯鲸是否生有鲸鱼那样的尾叶，但它们能用四肢划水，而将强劲有力的粗大尾巴当作方向舵使用。有科学家猜测，罗德候鲸像海獭那样采用游一滑方式游泳，而吉格里奇认为，罗德侯鲸的肢体比例使得它们更可能采用俄罗斯麝香鼠快速划动的游水方式。
罗德侯鲸体长约10米，除了具有以上特点之外，其脊椎具有明显的过渡特征。一段叫做骶骨的脊椎骨与骨盆直接相连，使其能在陆地上活动(具有早期陆地动物的特征)。其他脊椎骨则变短，使得这种动物的前半身变得更加僵硬，利于水中活动。与此同时，其四肢也变短，身体呈现流线型。这些特征具有鲸类动物的特点。罗德侯鲸既具有陆地哺乳动物祖先的特点，也拥有鲸类动物的特征。
巴氏龙：
生活于4000万～3400万年前始新世晚期。巴氏龙属于鲸类动物，1840年第一次被发现，曾被错误地归类为海洋爬行动物，但很快被理查德·欧文重新划人哺乳动物，不过保留了其爬行动物的名字。与其他早期鲸类动物不同，巴氏龙不是两栖动物，它已进化成地地道道的海洋动物，其后腿已退化为残肢，交配时用来抓抱配偶。
与其祖先相比，巴氏龙身体进化得更加修长，体长达到现代鲸鱼的长度，有18米长，不太发达的肌肉组织说明它们不适合深潜。巴氏龙虽然看上去非常像现代鲸鱼，但它们没有形成瓜型额头，而瓜型额头是现代鲸类动物进行回声定位的必备条件。巴氏龙脑容量不大，说明它们是一种独居动物，没有形成复杂的社会结构，这—点与现代鲸鱼有较大差别。
鲨齿鲸：
生活于3300万～1400万年前，是一种早期齿鲸类动物。齿鲸能通过发出一连串喀哒声进行回声定位，声脉冲通过其瓜型前额发出，碰到物体反射回来，再通过下颚接收信号。鲨齿鲸的颅骨结构显示它们拥有回声定位能力。鲨齿鲸的外貌特征与现代齿鲸很相似：颅骨扁平，吻突变短，这些都是现代齿鲸所具有的典型特征。
