Các loài cá voi đã tiến hóa từ các động vật có vú sống trên đất liền (có thể nhất có lẽ là từ tổ tiên chung là các dạng động vật ăn thịt có móng guốc, cùng nhánh chị em đồng tiến hóa kia là các động vật guốc chẵn (Artiodactyla) như lợn và hà mã). Chúng có lẽ đã thích nghi với cuộc sống đại dương vào khoảng 50 triệu năm trước.Artiodactyla, nếu như loại bỏ nhóm Cetacea, là một nhóm đa ngành. Vì lý do này, thuật ngữ khoa học Cetartiodactyla (cá voi+guốc chẵn) đã được tạo ra để chỉ nhóm chứa cả động vật guốc chẵn và cá voi (mặc dù vấn đề có thể dễ dàng giải quyết bằng cách coi Cetacea là một phân nhóm của Artiodactyla).Nguồn gốc sinh sống trên mặt đất của bộ Cá voi được chỉ ra bởi:Câu hỏi làm thế nào một nhóm các động vật có vú đất trở nên thích nghi với đời sống thủy sinh là một bí ẩn cho đến khi khám phá bắt đầu từ cuối những năm 1970 ở Pakistan tiết lộ nhiều giai đoạn trong quá trình chuyển đổi của các loài thú biển từ đất liền đến biển.