Opprinnelsen til hvaler er fortsatt et aktivt forskningsområde, men denherrschende meningen blant paleontologer og evolusjonsbiologer er at hvaler stammer fra landlevende forfedre. Tidlige teorier pekte på en gruppe klovdyr som het mesonykier, som levde i eocen-epoken for omtrent 50 til 34 millioner år siden. Disse skoglevende dyrene hadde lange kroppar og relativt korte lemmer, og lignet på moderne ulver eller bjørner på noen måter.
Over tid tilpasset seg noen av disse forfedrene et halvakvatisk livsstil, sannsynligvis tiltrukket av rikelig mat i akvatiske miljøer. Etterhvert som de tilbrakt mer tid i vann, ble lemmer deres gradvis mer roddlignende, kroppene strømlinjeformede, og tennene utviklet seg for å fange fisk og annen akvatisk bytte. Til slutt overgikk visse linjer til fullstendig akvatisk liv, og ga opphav til hvaler, delfiner og niser vi kjenner i dag. Denne evolusjonære prosessen kalles ofte setasiasjon.
Forskere fortsetter å studere de presise forholdet mellom ulike hvalgrupper, og noen aspekter av hvalers opprinnelse er fortsatt åpent for debatt. Det som er klart, er at hvaler utviklet seg fra landpattedyr gjennom millioner av år med gradvis tilpasning.