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鲸与河马的最近共同祖先，是 6000万年前由反刍动物分化出的半水生杂食动物，其中一支在 5400万年前的始新世从南亚等地入水生活，逐渐演化为完全水生的鲸类，并扩散至全球各大海域，部分种类还进入内陆河流及湖泊。在物种进化史上，一切脊椎动物均由 3亿年前海洋中的鱼类演化而来，鲸类祖先在离开海洋 2.5亿年后重返海洋，被称作“二次入水”，是进化史上一次罕见的重大转折事件。
鲸类在生理及结构上都发生了显着的改变以适应水中生活，例如具有增厚的皮下脂肪层（鲸油），长时间潜水及回声定位的能力，同时具有强大的肌肉系统支持水中运动等。
最早出现的鲸类为原鲸科，生活在 5000万年前，化石分布在亚洲、非洲及北美。科学家对于在现今巴基斯坦发现的巴基鲸了解较多，这个生活在约 5300万年前的生物化石，头部鼻孔已移向后方，具有狭长脑室，且仍具有后肢。
较先进的古鲸，是曾经被认定为爬行动物的械齿鲸科，该科大约存活在 3800－4500万年前，类似的化石也广泛的在新西兰甚至南极被发现。这显示古鲸在 4000万年前便已扩散到南半球。
较先进的古鲸中另一分支，是至少包含有 6种动物的硬齿鲸亚科，它们有较窄小的上颚，可能为滤食性；或是像现生大多齿鲸般，能藉此构造迅速夹住鱼、乌贼及鸟。
经历漫长的演化过程后，古鲸的各个支系在渐新世逐渐灭绝，仅有两个分支繁衍至今，即须鲸和齿鲸。
