Các nhà sinh vật học tiến hóa tin rằng cá heo xuất hiện cách đây 20 đến 25 triệu năm trong giai đoạn đầu của kỷ Miocen. Các loài hiện đại có thể theo dõi kentriodontid, là loài cá voi răng nhỏ được cho là có khả năng định vị bằng tiếng vang như cá heo hiện đại làm.
Cá voi thân sớm nhất, Pakicetus, là một loài động vật có vú có móng có liên quan đến tổ tiên của hươu, dê và gia súc hiện đại được gọi là động vật có móng hoặc móng guốc chẵn. Hóa thạch Pakicetus được phát hiện ở miền bắc Pakistan vào năm 1979 và có niên đại khoảng 50 triệu năm trước. Những con vật này có lẽ là những người lội nước bán thủy sinh. Những con cá voi sống hoàn toàn dưới nước đầu tiên, thuộc giống cá voi và dorontid, có niên đại cuối kỷ Eocen cách đây 41 đến 35 triệu năm, và những con cá voi có răng đầu tiên xuất hiện cách đây khoảng 33 triệu năm.
