Cá heo chuột, cùng với cá voi và cá heo, là hậu duệ của các động vật móng guốc sống trên cạn lần đầu tiên tiến vào đại dương khoảng 50 triệu năm trước. Trong thế Miocen (23 đến 5 triệu năm trước), động vật có vú khá hiện đại, có nghĩa là chúng hiếm khi thay đổi sinh lý theo thời gian. Bộ Cá voi đã đa dạng hóa, và bằng chứng hóa thạch cho thấy cá heo chuột và cá heo tách khỏi tổ tiên chung cuối cùng của chúng khoảng 15 triệu năm trước. Hóa thạch lâu đời nhất được biết đến từ các vùng biển nông quanh Bắc Thái Bình Dương, với các loài động vật lan đến bờ biển châu Âu và Nam Bán cầu chỉ sau đó rất lâu, vào thế Pliocen.[3]

• BỘ ARTIODACTYLA
  • Thứ bộ Cetacea
    • Tiểu bộ Odontoceti (cá voi có răng)
      • Siêu họ Delphinoidea
        • Họ Phocoenidae – cá heo chuột
          • Chi †Haborophocoena[4]
            • H. toyoshimai
          • Chi Neophocaena
            • N. phocaeniodes – cá heo không vây
            • N. asiaeorientalis – cá heo không vây hẹp
          • Chi †Numataphocoena[5]
            • N. yamashitai
          • Chi Phocoena
            • P. phocoena – cá heo cảng
            • P. sinus – cá heo California
            • P. dioptrica – cá heo bốn mắt
            • P. spinipinnis – Cá heo Burmeister
          • Chi Phocoenoides
            • P. dalli – cá heo Dall
          • Chi †Septemriocetus[6]
            • S. bosselaersii
          • Chi †Piscolithax
            • P. aenigmaticus
            • P. longirostris
            • P. boreios
            • P. tedfordi

Các giống lai được phát hiện gần đây giữa cá heo cảng đực và cá heo Dall cho thấy hai loài thực sự có thể là thành viên của cùng một chi.[7]