Il y a 50 millions d'années, les ancêtres des baleines étaient de petits mammifères terrestres ressemblant à des cerfs.

La transition des cétacés de la terre vers l'eau est documentée par des fossiles exceptionnels découverts principalement au Pakistan et en Inde. L'Indohyus, identifié par le paléontologue Hans Thewissen en 2007, appartient à la famille des Raoellidae. Ce petit mammifère artiodactyle possédait un os de l'oreille interne appelé involucrum, une caractéristique unique que l'on ne trouve que chez les baleines modernes.L'analyse isotopique de l'émail de ses dents révèle qu'il passait beaucoup de temps dans l'eau douce, probablement pour se cacher. Au fil de l'Éocène, d'autres formes intermédiaires comme Pakicetus et Ambulocetus ont développé des capacités de nage plus avancées. Pakicetus, vieux de 50 millions d'années, est considéré comme le premier cétacé archaïque bien que son apparence soit encore très terrestre.La transformation morphologique la plus frappante concerne les membres et le système respiratoire. Les membres postérieurs se sont atrophiés tandis que la queue est devenue l'organe propulseur principal. Les études génétiques modernes confirment cette parenté en montrant que l'hippopotame est le plus proche parent vivant des baleines, partageant un ancêtre commun il y a environ 55 millions d'années.La structure osseuse des nageoires pectorales actuelles est un exemple classique d'homologie. On y retrouve l'humérus, le radius, l'ulna et les phalanges, une architecture identique à celle du bras humain ou de la patte d'un mammifère terrestre. Cette évolution spectaculaire illustre comment la sélection naturelle peut radicalement modifier un plan corporel pour s'adapter à un nouvel environnement.