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现代鲸类分为须鲸小目和齿鲸小目，都演化自古鲸小目，在 3400万年前的渐新世初期便已分化。古鲸小目实际上是个并系群，包含了已灭绝的古代鲸类的最近共同祖先，但未包含其最近共同祖先的所有后代（即现代鲸类）。
须鲸小目种类较少，现存约 15种，分属 4科：露脊鲸科、新须鲸科（或小露脊鲸科）、须鲸科、灰鲸科。须鲸口内无齿，上颌长有帘幕般的角质鲸须，滤食磷虾、头足类等。体积庞大，体长至少 6米。须鲸有两个鼻孔，换气时可以喷出两股水柱。
齿鲸小目种类繁多，现存约 75种，分属 9科：抹香鲸科、小抹香鲸科（侏儒抹香鲸科）、恒河豚科（淡水豚科）、喙鲸科（剑吻鲸科）、亚河豚科、拉河豚科、海豚科、鼠海豚科、独角鲸科（一角鲸科），另有 1个单型的白鱀豚科，被认为已于 21世纪初功能性灭绝。齿鲸口内无须，但有牙齿，多呈圆锥状，主要以乌贼、鱼类为食。鼻孔只有一个。体型差异较大，从 1米长的侏海豚到 18米长的抹香鲸不等，通常雄性大于雌性。
鲸类为现代哺乳动物中最适应水中生活者，在从陆生向水生转变的历程中，演化出近似鱼类的外形，同时体毛退化（一些鲸类的初生幼体的吻部仍有少量刚毛，大部分种类在成长中褪去，小部分种类保留终身），汗腺和皮脂腺也随着鲸类最终完全水生而退化。
鲸类身躯肥圆，略呈桶状，侧看呈流线形。多数种类颈椎愈合，头与身体直接相连，无法在身体不动的情况下扭转头部。前肢特化为鳍状肢，内部仍有趾骨残留。后肢完全退化，仅存 1对小骨片。躯干后部为尾柄，尾末左右两端扩展形成水平的尾鳍，可上下摇摆，推动身体前进。多数鲸类长有背鳍，立于脊背后方或背中央。眼小，无瞬膜和泪腺，视力较差。无耳廓，仅有微小的耳孔，但在水中和空气中均有良好的听力。外鼻孔位于头顶，俗称喷气孔。用肺呼吸，肺左右各 1叶。胃分 3室。除淡水豚外的鲸类都有 1层丰厚的脂肪，借此保温、减少身体比重和增加浮力，有助于游泳和出水换气。气管和食管完全分离，因而不能用嘴呼吸。
须鲸口内无齿，上颌两侧各有 150－400缕角质鲸须；鲸须的颜色、数目和形状因种而异，是分类的重要依据；它们利用鲸须在海水中滤食磷虾、小鱼、头足类和贝类，食物直接吞入腹中，不加以咀嚼。须鲸是世界上体型最大的一类动物，且雌性大于雄性。须鲸中最小的小露脊鲸体长也超过 5米，而最大的蓝鲸更是史上最大的动物，可达 33米长、近 200吨重。须鲸头部极大，如露脊鲸科的头可达体长的 1\/3，最多可占体重的 40%；头顶偏后处有一对（两个）外鼻孔；仅有 1－2对肋骨与小型胸骨相连，无锁骨；鳍肢一般 4趾；所有须鲸均有盲肠。须鲸通常喜欢温度较低且食物丰足的海水，会游到赤道附近产下后代，在此过程中可数月不进食，以其脂肪储备为能量来源。
齿鲸有各种形状的牙齿，如圆锥形（海豚科及抹香鲸）、铲形（鼠海豚科）、钉形（白鲸）、长矛形（独角鲸）等；雌喙鲸的牙齿隐于牙龈内，大部分雄喙鲸只有 2颗短牙；雄独角鲸和 15%的雌独角鲸有突出嘴外的 1－2颗长牙，构成牙齿的百万个细胞能感测水温、压强及盐度。齿鲸捕食鱼类、头足类、甲壳类等，和须鲸一样不会咀嚼食物；某些齿鲸（如虎鲸）会捕食哺乳动物，猎物包括鳍足类和其他鲸类。齿鲸的体型差异较大，从 1米长的侏海豚到 18米长的抹香鲸不等，多数种类雄性大于雌性。许多齿鲸为两性异形，外貌因性别而有很大不同，可能是为了便于雄性求偶或彰显攻击性而形成的。齿鲸的头顶偏后处有单个外鼻孔（抹香鲸的外鼻孔位于头部左前方）；鳍肢一般 5趾；拥有相当发达的声呐系统，并可用额隆（头顶前方的脂肪组织）进行回声定位。它们的听觉十分敏锐，甚至有些失明的齿鲸可以只靠听觉存活。除恒河豚外的所有齿鲸均无盲肠。部分齿鲸极善潜水，如抹香鲸与柯氏喙鲸可下潜至 2000多米深的海域，憋气一两个小时。
