Phân bộ Cá voi cổ (danh pháp khoa học: Archaeoceti) là một nhóm cận ngành chứa các dạng cá voi cổ đã phát sinh ra các dạng cá voi hiện đại (Autoceta). Từng có thời người ta cho rằng cá voi cổ đã tiến hóa từ Mesonychia, dựa trên các đặc trưng bộ răng. Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây về di truyền học phân tử và hình thái học phi-răng chỉ ra rằng các dạng cá voi đầu tiên của phân bộ Archaeoceti rất có thể đã tiến hóa từ Artiodactyla (có lẽ từ họ Hippopotamidae, trong đó bao gồm các loài hà mã hiện đại). Các tổ tiên của Archaeoceti có lẽ đã rẽ nhánh ra khỏi Artiodactyla vào khoảng thời gian diễn ra sự kiện tuyệt chủng kỷ Creta–phân đại Đệ Tam. Phần lớn các dạng cá voi cổ có các chi sau, gợi ý rằng chúng là động vật hoàn toàn sống trên đất liền. Khi thế Eocen trôi đi thì Archaeoceti ngày càng trở nên ít thích hợp với cuộc sống trên mặt đất và trở nên thích hợp hơn với cuộc sống thủy sinh. Trước khi thế Eocen kết thúc, từ một nhóm cá voi cổ, có lẽ thuộc chi Dorudon của họ Basilosauridae, đã phát sinh ra cá voi hiện đại. Archaeoceti chịu tổn thất nặng nề (về số lượng chi) trong thời kỳ sự kiện tuyệt chủng thế Eocen-thế Oligocen, nhưng một số ít loài có thể còn sống sót trong thế Oligocen. Dạng cá voi cổ cuối cùng, có lẽ cũng thuộc họ Basilosauridae, bị tuyệt chủng trong thế Oligocen. Chúng có thể bị tuyệt chủng (hay "giả tuyệt chủng" nếu tính tới các hậu duệ là cá voi hiện đại) do sự kết hợp của 2 yếu tố: cạnh tranh và thay đổi khí hậu.