從解剖學的角度來看，鯨目動物的許多特征都表現出對海洋生活的高度適應。然而，解剖學證據不足以回答許多關於鯨類起源的問題。但從生物化學和遺傳學的角度來看，鯨目動物與有蹄類動物關系密切，化石記錄(約5000萬年前)也支持鯨目動物由有蹄類動物進化而來。
鯨目動物的祖先可能是來自北美、歐洲和亞洲的陸棲有蹄類動物——中甲科。中爪動物的成員有的嬌小如家犬，有的高大如熊，但很多動物的進化過程都是從小到大的，所以鯨魚可能是由小的中爪動物進化而來的。
據推測，這些中爪動物，牙齒很少，生活在淺水中，逐漸轉變為兩棲的生命形式，然後在漫長的進化過程中成為今天的各種鯨魚和海豚。
目前已知最早的鯨類是古鯨類(原鯨科)。
原生海洋都出現在5000萬年前，化石分布在亞洲、非洲和北美。科學家們對生活在5300-5000萬年前的Pakicetus有了更多的了解，這是壹種今天在巴基斯坦發現的生物化石。它是壹種心室和後肢都很狹窄的動物，它的噴射孔(鼻孔)向後移動了。同時在印度巖層中發現的化石證據也表明，早期鯨目動物之間存在難以想象的高度生態差異。
更高級的鯨目動物是古龍科，它曾被認為是爬行動物。這個家族的動物生活在大約4500-3800萬年前。盡管它們是由美國地質學家在路易斯安那州首次發現的，但類似的化石在新西蘭甚至在南極洲都被廣泛發現。這壹發現表明，古生菌在4000萬年前就已經擴散到了南方海域。
更高級的古細菌的另壹個分支是Dorudontinae，它包含至少6種動物。它們有狹窄的上頜骨，可能是濾食性動物。或者，像大多數齒鯨壹樣，它們可以通過這種結構快速捕捉魚類、魷魚和鳥類。
經過漫長的進化過程，古生菌終於在漸新世滅絕。而鯨類家族的另外兩個分支，Mysticeti和Odontoceti，卻走出了過去的歷史，衍生出了13家族的近80種迷人生物，豐富了我們的海洋活力。