Theo học thuyết truyền thống thì cá voi có họ hàng gần với Mesonychia, một bộ thú móng guốc ăn thịt và là nhóm chị em của Artiodactyla (bộ Guốc chẵn). Giả thuyết này sinh ra là do loại răng ba đĩnh bất thường của Mesonychia và cá voi. Tuy nhiên, dữ liệu phát sinh loài phân tử gần nay hơn cho rằng cá voi gần với bộ Guốc chẵn hơn, đặc biệt là hà mã.[2] Tuy nhiên, Anthracotheriidae cổ nhất, tổ tiên của hà mã, chỉ xuất hiện vào giữa thế Eocene, nhiều triệu năm sau khi Pakicetus, tổ tiên của cá voi, xuất hiện vào đầu thế Eocene, cho thấy hai nhánh này đã tách biệt từ trước thế Eocene.

Dữ liệu phân tử được ủng hộ bởi phát hiện Pakicetus, chi tiền cá voi cổ nhất. Bộ xương Pakicetus cho thấy cá voi không bắt nguồn trực tiếp từ Mesonychia. Thay vào đó, chúng là những Artiodactyla bắt đầu sống dưới nước không lâu sau khi Artiodactyla tách khỏi Mesonychia. Đáng chú ý rằng hầu hết tổ tiên động móng guốc đều ăn thịt hay xác thối, và bộ Guốc chẵn và bộ Guốc lẻ đã chuyển sang ăn thực vật. Ngược lại, cá voi vẫn giữa chế độ ăn thịt, vì con mồi của chúng có sẵn hơn và cần lượng calo nhiều hơn. Mesonychia cũng chuyên biệt hóa để ăn thịt, nhưng đây là một bất lợi vì con mồi lớn khi đó chưa phổ biến. Creodonta và Carnivora thích nghi tốt hơn đã đánh bại Mesonychia trong cuộc đua lắp đầy hốc sinh thái của khủng long.