原鲸科动物均出现在5000万年前，化石分布在亚洲、非洲及北美。科学家对于在现今巴基斯坦被发现的巴基斯坦古鲸（又名巴基鲸，Pakicetus）的了解较多，这个生活在5000-5300万年前的生物化石，是个喷气孔（鼻孔）已移向后方，具有狭长脑室，且仍具有后肢的动物。在同时期的印度岩层中发现的化石证据也显示，在早期的鲸类间，已经有着难以想象的高度生态歧异性。

    较先进的古鲸亚目动物，是曾经被认定为爬行动物的械齿鲸科（Basilosauridae）。这个科的动物大约存活在3800-4500万年前，虽然最早在Louisiana被美国地质学家发现，但类似的化石也广泛的在新西兰甚至南极被发现。这发现显示古鲸亚目在4000万年前便已扩散到南方水域。

    较先进的古鲸亚目中另一分支，是至少包含有6种动物的硬齿鲸亚科（Dorudontinae），他们有较窄小的上颚，可能为滤食性；或是像现生大多齿鲸般，能藉此构造迅速夹住鱼、乌贼及鸟。

    经历漫长的演化过程后，古鲸亚目在渐新世（Oligocene）走入灭绝一途。但鲸类家族中的另外两个分支，即须鲸亚目（Mysticeti）与齿
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