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鲸类为现代哺乳动物中最适应水中生活者，在从陆生向水生转变的历程中，演化出近似鱼类的外形，同时体毛退化（一些鲸类的初生幼体的吻部仍有少量刚毛，大部分种类在成长中褪去，小部分种类保留终身），汗腺和皮脂腺也随着鲸类最终完全水生而退化。
鲸类身躯肥圆，略呈桶状，侧看呈流线形。多数种类颈椎愈合，头与身体直接相连，无法在身体不动的情况下扭转头部。前肢特化为鳍状肢，内部仍有趾骨残留。后肢完全退化，仅存 1对小骨片。躯干后部为尾柄，尾末左右两端扩展形成水平的尾鳍，可上下摇摆，推动身体前进。多数鲸类长有背鳍，立于脊背后方或背中央。眼小，无瞬膜和泪腺，视力较差。无耳廓，仅有微小的耳孔，但在水中和空气中均有良好的听力。外鼻孔位于头顶，俗称喷气孔。用肺呼吸，肺左右各 1叶。胃分 3室。除淡水豚外的鲸类都有 1层丰厚的脂肪，借此保温、减少身体比重和增加浮力，有助于游泳和出水换气。气管和食管完全分离，因而不能用嘴呼吸。
须鲸口内无齿，上颌两侧各有 150－400缕角质鲸须；鲸须的颜色、数目和形状因种而异，是分类的重要依据；它们利用鲸须在海水中滤食磷虾、小鱼、头足类和贝类，食物直接吞入腹中，不加以咀嚼。须鲸是世界上体型最大的一类动物，且雌性大于雄性。须鲸中最小的小露脊鲸体长也超过 5米，而最大的蓝鲸更是史上最大的动物，可达 33米长、近 200吨重。须鲸头部极大，如露脊鲸科的头可达体长的 1/3，最多可占体重的 40%；头顶偏后处有一对（两个）外鼻孔；仅有 1－2对肋骨与小型胸骨相连，无锁骨；鳍肢一般 4趾；所有须鲸均有盲肠。须鲸通常喜欢温度较低且食物丰足的海水，会游到赤道附近产下后代，在此过程中可数月不进食，以其脂肪储备为能量来源。
齿鲸有各种形状的牙齿，如圆锥形（海豚科及抹香鲸）、铲形（鼠海豚科）、钉形（白鲸）、长矛形（独角鲸）等；雌喙鲸的牙齿隐于牙龈内，大部分雄喙鲸只有 2颗短牙；雄独角鲸和 15%的雌独角鲸有突出嘴外的 1－2颗长牙，构成牙齿的百万个细胞能感测水温、压强及盐度。齿鲸捕食鱼类、头足类、甲壳类等，和须鲸一样不会咀嚼食物；某些齿鲸（如虎鲸）会捕食哺乳动物，猎物包括鳍足类和其他鲸类。齿鲸的体型差异较大，从 1米长的侏海豚到 18米长的抹香鲸不等，多数种类雄性大于雌性。许多齿鲸为两性异形，外貌因性别而有很大不同，可能是为了便于雄性求偶或彰显攻击性而形成的。齿鲸的头顶偏后处有单个外鼻孔（抹香鲸的外鼻孔位于头部左前方）；鳍肢一般 5趾；拥有相当发达的声呐系统，并可用额隆（头顶前方的脂肪组织）进行回声定位。它们的听觉十分敏锐，甚至有些失明的齿鲸可以只靠听觉存活。除恒河豚外的所有齿鲸均无盲肠。部分齿鲸极善潜水，如抹香鲸与柯氏喙鲸可下潜至 2000多米深的海域，憋气一两个小时。
鲸鱼用肺呼吸，每隔4个小时就会游到海面上呼吸，是温血动物，体温大约为37℃，心跳每分钟只有10次、。其幼崽由哺乳喂养，还有少许毛发。一些种类可以潜到极深的深度，它们往往拥有厚重的脂肪层，或叫作鲸脂，能在冰冷的水中保持温暖。
鲸的体形是梭状的。它的前肢形成鳍，后肢完全退化，尾巴变成尾鳍，可以上下摆动，是游泳的主要器官。有些种类还有背鳍，用来平衡身体。肋骨有10～20对，胃分四个室，肾脏多为瘤状。
特别值得瞩目的是蓝鲸。它是世界上现存的最大动物，体长可达30米，重达180吨。
鲸鱼寿命一般为 40-90年，因物种而异。
鲸类拥有敏锐的声呐系统，能利用回声定位功能，发出声波信号觅食和通讯，人类发明的声呐就是通过鲸和海豚的声呐原理发明的。鲸类依靠敏锐的听觉在水下生存，但须鲸和齿鲸在听觉能力上却展现出巨大的差别。须鲸能接收到频率低到人类难以察觉的次声波，这使得它们可以远距离沟通，而齿鲸的情况正好相反，它依赖超声波，这种声波的频率太高以至于人类无法听到。发表在 2017年 6月《当代生物学》杂志的报告称，研究人员从灭绝的早期鲸类化石中找到了证据，证明鲸类听觉能力上的差异是进化为完全水生动物后才出现的；水陆两栖的史前鲸类的听觉系统，与它们的陆地近亲更为相似，甚至是猪、河马、骆驼等动物。
