Các ý kiến dựa trên hình thái học và cổ sinh vật học[15] về mối quan hệ của cá voi với các động vật có vú khác cũng trải qua các thay đổi đáng kể kể từ đầu thập niên 1990. Các hóa thạch, như Rodhocetus, đã được phát hiện và bác bỏ khái niệm cho rằng cá voi có nguồn gốc hay có quan hệ họ hàng gần với Mesonychia. Nhiều nhà hình thái học và cổ sinh vật học ủng hộ khái niệm về nhánh gọi là Cetartiodactyla trong đó hợp nhất Cetacea và Artiodactyla. Tuy nhiên, nhiều nhà khoa học khác thì không ủng hộ giả thiết cho rằng Cetacea đã tiến hóa từ bên trong Artiodactyla[3][4]. Theo định nghĩa này, Artiodactyla vẫn là nhánh hợp lệ do Artiodactyla đã tiến hóa từ một tổ tiên chung tách biệt với cá voi. Cetartiodactyla như thế đại diện cho một siêu bộ hợp nhất cả hai bộ.

Phần lớn các phân tích phát sinh loài dựa trên các đặc trưng hình thái vẫn chưa bộc lộ ra nhánh cá voi/hà mã, mà lại chỉ ra rằng Cetacea và Artiodactyla là khác biệt nhau. Các đặc trưng của các xương như xương sên trong khu vực mắt cá chân được trích dẫn như là chứng cứ cụ thể cho tính đơn ngành của Artiodactyla.

Các hóa thạch hà mã đã không được ghi nhận cho tới tận thế Miocen (23,03-5,33 Ma), nhưng các tổ tiên của cá voi lại có niên đại tới tận thế Eocen (56-34 Ma). Giả thuyết cá voi/hà mã có một khoảng trống gần 30 triệu năm trong đó không có tổ tiên nào của hà mã tồn tại. Một số loài nhất định trong họ Anthracotheriidae đã được đề xuất như là các tổ tiên của hà mã, nhưng khái niệm này không đạt được sự ủng hộ rộng rãi của các nhà cổ sinh vật học. Tuy nhiên, học thuyết gần đây nhất về nguồn gốc của họ Hippopotamidae gợi ý rằng hà mã và cá voi chia sẻ cùng một tổ tiên chung sống bán thủy sinh đã tách ra khỏi các loài guốc chẵn khác khoảng 60 triệu năm trước[16][17]. Nhóm tổ tiên giả thuyết này rất có thể đã tách ra thành hai nhánh khoảng 54 triệu năm trước[18]. Một nhánh có thể đã tiến hóa thành cá voi, có thể bắt đầu từ tiền-cá voi Pakicetus khoảng 52 triệu năm trước với các tổ tiên cá voi sớm khác được gọi chung là Archaeoceti, cuối cùng đã trải qua sự thích nghi thủy sinh để trở thành các loài cá voi hoàn toàn sống dưới nước[14], vì thế nó hỗ trợ tính đơn ngành của Cetartiodactyla.