Os biólogos evolucionistas acreditam que os golfinhos surgiram de 20 a 25 milhões de anos atrás durante o início do período Mioceno. As espécies modernas podem ser rastreadas até os kentriodontídeos, que são baleias de dentes pequenos que se acredita ter a capacidade de ecolocalização dos golfinhos modernos fazer.
A proto-baleia mais antiga, Pakicetus, era um mamífero com cascos aparentado com os ancestrais dos veados, cabras e gado modernos, conhecidos como artiodáctilos ou ungulados com até mesmo dedos. Fósseis de Pakicetus foram descobertos no norte do Paquistão em 1979 e datados de cerca de 50 milhões de anos atrás. Esses animais eram provavelmente limícolas semi-aquáticos. As primeiras baleias totalmente aquáticas, basilossaurídeos e dorontídeos, datam do final do período Eoceno de 41 a 35 milhões de anos atrás, e as primeiras baleias com dentes apareceram há cerca de 33 milhões de anos.
