西元四世紀時，希臘哲學家亞里斯多德已發現鯨和海豚，比起其他魚類及海中生物更像人類－同樣是溫血、呼吸空氣，一如其他陸地哺乳動物。鯨類和人及其他哺乳動物一樣都經過長期懷胎、生產，初生的幼獸在母親全心照顧下經過數月甚至一年以上，學習如何覓食以及生存。
由於是社會性的哺乳動物，他們大多和同類一起生活，但和其他哺乳動物不同處（至少和人類），他們生活在深海或木域中。可是約五千萬年，前這些動物的祖先是四足的陸地動物，大小從狗到熊不等，或許是為了尋找更多的食物來源、躲避掠食者，他們經常在河裡或海裡。像地球上所有動植物一樣，他們具備演化適應環境的能力。
開始時，他們因換氣而經常回到陸地，為了在冰冷水中保暖，開始在皮下聚積脂肪，有的甚至到50公分厚。有些則大到將近30公尺長，144公噸重。這些是冷血的魚類所不需要的。經過千萬年演化，使得身軀更流線化，他們的後腿不見了，前肢變成胸鰭，尾巴演化成強力的推進器，有些是深潛冠軍，人類最近藉著高科技的深海器械才得以與之抗衡。雖然鯨類的遠祖和鹿、羊一樣都是偶蹄動物,大小從狼到熊不等,但沒有人能確切解釋何以他們適應水中生活後體型有如此戲劇性的變化。我們可以推論這麼龐大的動物只能在海裡演化，因為大型陸棲動物必需有壯碩的四肢支持體重和方便走動，在海裡，因為水的浮力使得鯨類得以演化到如此龐大，但又輕巧得像特技演員。
藍鯨是世界上最大的動物，完全長成的成鯨曾有３３公尺（約比三部公車尾首相連稍長）重160公噸的紀錄（比最大的恐龍重２倍或至少２０隻亞洲象重），尾鰭兩端相距6公尺，心臟和一部小型車一樣大，舌頭可塞滿起居室，即使剛出生的仔鯨，也有７公尺長，2500公斤重。而大翅鯨是前肢最長的動物，胸鰭可達5公尺(佔身長1/3)，因此胸鰭伸展開的翼展可達12公尺。但並非每種都碩大無比，像港灣鼠海豚長約2公尺，重約60公斤。
鬚鯨的一般長度大於齒鯨（除了少數例外），但齒鯨腦與身長的比例則大於鬚鯨，以抹香鯨為例，雖幾乎只有藍鯨的一半，大他的腦卻大於藍鯨，約有８公斤重，至少比人腦重5倍。
許多適應水中的演化過程使得他們成為非常傑出的泳者，有些小型鯨類時速可高達50公里，大型鯨類中，藍鯨、長須鯨、塞鯨可以4~30里時速巡航，但即使是游得最慢的也超過人類游泳奧運速度紀錄。研究人員曾經紀錄一頭被標記的塞鯨以平均17公里時速游了3,200公里。
大型鯨類通常停留水面幾秒換幾次氣，頭朝下，伏起背潛入海裏。這時，高舉的尾鰭因為失去海水浮力的支持，反而幫助他們更易下潛。不同鯨類覓食的深度不一，以抹香鯨為例，通常在2,000公尺以下尋找食物，即使淺海中，視覺通常毫無用武之地，聲音成了最重要的感應方式；雖然有些鯨類的視覺不錯。由於水的密度遠大於空氣，聲音在水裏傳得更快、更遠，因此聲音是鯨類在海裏辨認方位、覓食的唯一方法。齒鯨發出卡搭聲響，聆聽回音來尋覓食物，避開看不見的障礙，藍鯨、長須鯨發出低沈的聲音可以傳到數千公里之遠，而我們仍無法理解他們如何運用它們。