I biologi evoluzionisti ritengono che i delfini siano emersi da 20 a 25 milioni di anni fa durante il primo periodo del Miocene. Le specie moderne possono rintracciare i kentriodontidi, che sono balene dai piccoli denti che si ritiene abbiano la capacità di ecolocare come i moderni delfini fare.
La prima proto-balena, Pakicetus, era un mammifero ungulato legato agli antenati di cervi, capre e bovini moderni che sono indicati come artiodattili o ungulati con le dita regolari. I fossili di Pakicetus furono scoperti nel nord del Pakistan nel 1979 e furono datati a circa 50 milioni di anni fa. Questi animali erano probabilmente trampolieri semi-acquatici. Le prime balene completamente acquatiche, basilosauridi e doronti, risalgono al tardo periodo Eocene tra 41 e 35 milioni di anni fa, e le prime balene dentate apparvero circa 33 milioni di anni fa.
