Los cetáceos, derivado de la palabra latina para ballena, «cetus», es el orden de los mamíferos que incluye ballenas, delfines y marsopas. Los cetáceos son uno de los cuatro grupos de mamíferos adaptados a la vida acuática, los otros son los sirenios (dugongos y manatíes), los pinnípedos (focas y morsas) y una subfamilia acuática de mustélidos, las nutrias. Como otros mamíferos acuáticos, los cetáceos evolucionaron a partir de ancestros terrestres.
Durante muchos años, fue un misterio cómo evolucionaron los cetáceos para ser lo que son hoy. Esto duró hasta el descubrimiento de un grupo de proto-ballenas terrestres, los pakicetids, en Pakistán en 1983. Los Pakicetids son los primeros cetáceos conocidos, que vivieron durante el Eoceno temprano, hace unos 53 millones de años. Sus fósiles fueron desenterrados en un área de Pakistán que era costera hasta el antiguo Mar de Tetis, un cuerpo de agua conectado al Océano Mundial y más directamente análogo al Océano Índico de hoy.
Los pakicetidos se consideran cetáceos debido a tres características reveladoras que solo tienen las ballenas: una posición específica de los huesos del oído dentro del cráneo, un pliegue en el hueso del oído medio y la forma en que se disponen las cúspides de los molares del animal. Estas características pueden parecer pequeñas minucias, pero demuestran que los pakicetidos eran ancestrales de las ballenas. Los animales terrestres carnívoros, los pakicetidos, se parecían más a los lobos que a cualquier cosa que reconozcamos hoy como cetáceos. Debido a que sus huesos se encontraron cerca de lo que alguna vez fue agua, se cree que fueron al menos semiacuáticos.
Se cree que una parte de los paquicetidos evolucionó a ambulocetidos («ballenas andantes»), mejor ejemplificado por un esqueleto fósil casi completo de la especie Ambulocetus natans, un notable «cocodrilo mamífero» de 3 m (10 pies) de largo, considerado un excelente ejemplo de un fósil de “eslabón perdido” (de transición). Los ambulocetidos, también encontrados en Pakistán, vivieron hace 50-49 millones de años. El animal era claramente muy acuático, aunque tenía patas y podría haber soportado su propio peso en tierra. El análisis de los dientes ha demostrado que podría vivir tanto en ambientes de agua dulce como salada, y poseía adaptaciones auditivas especiales que le habrían permitido escuchar bien bajo el agua. Busque una imagen de ambulocetus y verá lo extraño que se ve.
Alrededor del mismo período de tiempo, surgieron los protocetidos. Los procetidos, que significa «ballenas primitivas», eran un grupo complejo y heterogéneo. Se han encontrado fósiles o fragmentos fósiles de protocétidos en Asia, Europa, África y América del Norte. Los protocétidos eran grandes, con pies rechonchos y comenzaron a parecerse más a los cetáceos de hoy. Protocetus, una especie, tenía un cuerpo parecido a un delfín. Se desconoce si esta familia tenía aletas de cola como las ballenas modernas, ya que esta parte del cuerpo no es esquelética y no se fosiliza bien.
Los dos primeros grupos de cetáceos completamente marinos fueron basilosauridos, incluido Basilosaurus – «Rey Lagarto», confundido con un reptil cuando fue descubierto en 1840, de ahí el «saurio» en el nombre – y Dorudon. Los esqueletos de Basilosaurus, de hasta 8 m (60 pies), siempre se han considerado fantásticos. Su característica más famosa son las extremidades vestigales de 0.6 metros (2 pies) de largo. Los fósiles de basilosáuridos datan de hace 40 a 34 millones de años y se han encontrado en Egipto, Pakistán y Estados Unidos.
Los basilosáuridos eventualmente evolucionaron hasta convertirse en ballenas como las conocemos hoy.