Pochodzenie wielorybów wciąż jest aktywnym obszarem badań naukowych, ale panująca opinia wśród paleontologów i biologów ewolucyjnych to ta, że wieloryby wywodzą się od przodków lądowych. Wczesne teorie wskazywały na grupę kopytożernych ssaków mięsożernych zwanych mezzończykami, które żyły w epoce eocenicznej około 50–34 mln lat temu. Te zwierzęta lasowe miały wydłużone ciała i stosunkowo krótkie kończyny, w pewnym stopniu przypominając dzisiejsze wilki czy niedźwiedzie.
Z czasem część tych przodków przystosowała się do półwodnego trybu życia, prawdopodobnie przyciągnięta obfitością pożywienia w środowisku wodnym. Im więcej czasu spędzali w wodzie, ich kończyny stawały się bardziej płetwopodobne, ciała zyskiwały kształt spływowy, a zęby ewoluowały do łowienia ryb i innych ofiar wodnych. W końcu niektóre linie przeszły do w pełni wodnego życia, rodząc wieloryby, delfiny i marswiny, jakie znamy dzisiaj. Ten proces ewolucyjny często nazywa się cetyzacją.
Naukowcy dalszą badają dokładne relacje między różnymi grupami cetaceów, a niektóre aspekty pochodzenia wielorybów pozostają otwarte do dyskusji. Jasne jest jednak, że wieloryby wyewoluowały z ssaków lądowych przez miliony lat stopniowych adaptacji.