Balinaların öyküsü evrim biyolojisinin en iyi belgelenmiş geçişlerinden biridir. Bugünkü Pakistan ve Hindistan'ın 50 milyon yıl önce sığ sulara açılan kıyılarında yaşayan Pakicetus, kurt büyüklüğünde, dört bacaklı, etobur bir memeliydi. Kafatasındaki kulak kemikleri ve diş yapısı, onu artiodaktiller (çift toynaklılar) familyasıyla — özellikle bugünkü suaygırının uzak akrabası bir hatla — bağlar. Pakicetus karada yürüyebiliyor, suya da girip avlanabiliyordu; ancak yaşam alanı esas olarak karaydı.

İlerleyen milyonlarca yıl, Ambulocetus (yaklaşık 49 Mya — 'yürüyen balina') ve Rodhocetus (47 Mya) gibi geçiş türlerini sahneye taşıdı. Bu hayvanlarda arka bacaklar belirgin biçimde kısaldı, kuyruk güçlendi, burun delikleri kafatasının üst bölümüne doğru kaymaya başladı. Yaklaşık 40 milyon yıl önce Protocetidae üyeleri, hayatlarının büyük bölümünü suda geçiren ama yine de dışarıda yavrulayabilen biçimlere ulaşmıştı. Basilosaurus (yaklaşık 38–34 Mya), 18 metreye varan boyuyla, artık karaya tamamen veda etmiş bir gerçek deniz memelisidir; arka bacakları sadece birkaç santimlik kalıntıya inmiş, vücut tam anlamıyla yılansı bir akıcılığa kavuşmuştur.

Oligosen başında (yaklaşık 34 Mya), modern balinaların iki büyük dalı — dişli balinalar (Odontoceti) ve kıvrımlı kıllı balinalar (Mysticeti) — ayrılmıştı. Kıllı balinaların besinlerini ince çubuksu kıl yapılarıyla süzme stratejisi, geç Oligosen-Miosen okyanuslarının zenginleşen planktoniyle birlikte gelişti ve sonunda Dünya'nın gördüğü en büyük hayvanın — modern mavi balinanın — atalarını üretti. Balinaların öyküsü, omurgalı evriminin 'tek yönlü değildir' tezinin en güçlü kanıtlarından biridir: bir kez karaya çıkmış bir soyun denize geri dönmesi mümkündür.