Trong khoảng thời gian vài triệu năm thuộc thế Eocen, các động vật dạng cá voi đã quay lại sống dưới biển, nơi đã từng là hốc sinh thái cho các dạng động vật săn mồi to lớn, kiếm ăn ở bề mặt nước nhưng đã bị bỏ hoang kể từ khi các loài bò sát của các nhóm Mosasaur (họ Mosasauridae) và Plesiosaur (phân bộ Plesiosauroidea) bị tuyệt chủng. Do sự tăng lên của không gian sinh sống nên đã không có giới hạn tự nhiên đối với kích thước của động vật dạng cá voi (cũng nghĩa là trọng lượng cơ thể mà các chân của chúng có thể duy trì được) do nước có sức nổi. Cũng chính vì thế mà chúng không còn cần tới các chân nữa.

Cũng trong khoảng thời gian này, động vật dạng cá voi đã mất dần đi các thuộc tính phù hợp cho sự sinh tồn trên đất liền và thu được các cơ chế thích nghi với cuộc sống dưới nước. Các chi sau biến mất và cơ thể của chúng trở thành thon và thuôn hơn – hình dạng cho phép chúng có thể di chuyển nhanh trong nước. Đuôi nguyên thủy của chúng cũng chuyển dạng thành một cặp thùy đuôi có tác dụng dẫn lái khi chuyển động theo chiều dọc.

Như là một phần của quá trình thuôn hóa này, các xương trong các chi trước của cá voi đã hợp nhất lại với nhau. Theo dòng thời gian, cái trước đây là các chân trước đã trở thành một khối đặc gồm xương, mỡ và mô, tạo ra các chân chèo rất hiệu quả và làm cân bằng kích thước to lớn của chúng.

Để duy trì nhiệt cơ thể trong các vùng biển lạnh, các loài cá voi cũng đã phát triển lớp mỡ cá voi, lớp chất béo dày nằm giữa lớp da bên ngoài và lớp thịt bên trong, có vai trò như nguồn cung cấp năng lượng trong trường hợp cấp thiết. Ở một vài loài cá voi thì lớp mỡ này dày tới hơn 30 cm (1 ft). Không còn nhu cầu giữ ấm cơ thể từ bên ngoài nữa nên lớp lông của động vật dạng cá voi dần dần biến mất, tiếp tục làm giảm lực ma sát của khối cơ thể đồ sộ đối với nước.

Xương nhỏ ở tai trong gọi là xương búa bị hợp nhất với các thành của hốc xương nơi chứa các xương tai trong, làm cho việc nghe trong không khí gần như là không thể. Thay vì thế, sóng âm được truyền tải qua các xương hàm và xương hộp sọ.