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类祖先在离开海洋 2.5亿年后重返海洋，被称作“二次入水”，是进化史上一次罕见的重大转折事件。
鲸类在生理及结构上都发生了显着的改变以适应水中生活，例如具有增厚的皮下脂肪层（鲸油），长时间潜水及回声定位的能力，同时具有强大的肌肉系统支持水中运动等。
最早出现的鲸类为原鲸科，生活在 5000万年前，化石分布在亚洲、非洲及北美。科学家对于在现今巴基斯坦发现的巴基鲸了解较多，这个生活在约 5300万年前的生物化石，头部鼻孔已移向后方，具有狭长脑室，且仍具有后肢。
较先进的古鲸，是曾经被认定为爬行动物的械齿鲸科，该科大约存活在 3800－4500万年前，类似的化石也广泛的在新西兰甚至南极被发现。这显示古鲸在 4000万年前便已扩散到南半球。
较先进的古鲸中另一分支，是至少包含有 6种动物的硬齿鲸亚科，它们有较窄小的上颚，可能为滤食性；或是像现生大多齿鲸般，能藉此构造迅速夹住鱼、乌贼及鸟。
经历漫长的演化过程后，古鲸的各个支系在渐新世逐渐灭绝，仅有两个分支繁衍至今，即须鲸和齿鲸。
现代鲸类分为须鲸小目和齿鲸小目，都演化自古鲸小目，在 3400万年前的渐新世初期便已分化。古鲸小目实际上是个并系群，包含了已灭绝的古代鲸类的最近共同祖先，但未包含其最近共同祖先的所有后代（即现代鲸类）。
须鲸小目种类较少，现存约 15种，分属 4科：露脊鲸科、新须鲸科（或小露脊鲸科）、须鲸科、灰鲸科。须鲸口内无齿，上颌长有帘幕般的角质鲸须，滤食磷虾、头足类等。体积庞大，体长至少 6米。须鲸有两个鼻孔，换气时可以喷出两股水柱。
齿鲸小目种类繁多，现存约 75种，分属 9科：抹香鲸科、小抹香鲸科（侏儒抹香鲸科）、恒河豚科（淡水豚科）、喙鲸科（剑吻鲸科）、亚河豚科、拉河豚科、海豚科、鼠海豚科、独角鲸科（一角鲸科），另有 1个单型的白鱀豚科，被认为已于 21世纪初功能性灭绝。齿鲸口内无须，但有牙齿，多呈圆锥状，主要以乌贼、鱼类为食。鼻孔只有一个。体型差异较大，从 1米长的侏海豚到 18米长的抹香鲸不等，通常雄性大于雌性。
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鲸类为现代哺乳动物中最适应水中生活者，在从陆生向水生转变的历程中，演化出近似鱼类的外形，同时体毛退化（一些鲸类的
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