고래의 진화 경로는 대략 육생 위주의 바키고래, 수륙양용 육행고래, 기본 수생까지 발달한 팔다리를 가진 원고래, 완전히 수생과 뒷다리가 크게 퇴화한 창치고래와 용왕고래, 결국 창치고래에서 현대치고래와 수염고래로 진화한 기간 * * * 은 약 5000 만 년의 역사를 거쳤다.
우리가 잘 알고 있는 생명이 바다에서 육지로 진화하는 것과는 달리 고래류의 진화사는 육지생물에서 해양생물로 진화한다.
고래류의 조상은 육지에서 사지로 걷는 포유동물로, 수억 년의 진화를 거쳐 결국 우리가 잘 아는 고래를 형성한다. 그러나, 고래류는 지금까지도 조상의 흔적을 보존하고 있다. 해부학에서는 뒷다리가 퇴화하고 골반과 대퇴골의 잔재가 남아 있고 꼬리는 지느러미로 퇴화하고, 끝의 피부는 좌우로 수평으로 뻗어 한 쌍의 큰 미엽을 형성하고, 척추뼈는 좁고 긴 꼬리 간부가 점점 가늘어지다가 결국 꼬리 지느러미로 들어가기 전에 사라진다.
형태학적으로 고래는 심방과 심실, 온혈, 폐호흡, 태생, 암컷은 유방을 가지고 있고, 유즙으로 새끼를 키우기 때문에 현대의 생물 분류에서도 고래는 포유동물로 분류된다.