De tidligste forgjengerne til nålevende hvaler levde i den geologiske tidsperioden Eocen, for omlag 55-34 millioner år siden. Noen av disse dyrene hadde fortsatt intakte baklemmer og beveget seg på land. Etter som dyrene tilpasset seg livet i vann ble imidlertid bekkenparti og baklemmer sterkt redusert. Denne utviklingen er godt dokumentert gjennom fossilfunn, spesielt fra India og Pakistan, Egypt og USA.

De tidlige hvalene benevnes gjerne Archaeoceti og utgjør seks ulike familier. Pakicetidae levde for omlag 50 millioner år siden og er den eldste og mest primitive gruppen. Dette var hundestore dyr som trolig levde både på land og i vann. Til tross for at de skiller seg markert fra hvalene på generelt utseende, kan deres slektskap fastslås ut fra detaljer i øreregionen som finnes hos alle hvalene men ikke andre pattedyr.

Ambulocetidae var større enn Pakicetidae, omlag på størrelse med sjøløver. Kroppsfasongen var lik en krokodille, men baklemmene var lengre. Disse dyrene fantes for omlag 49 millioner år siden.

Den fossile forgjengeren til dagens hvaler Ambulocetus natans
hadde bekken med intakte baklemmer og gikk på land.

Remingtonocetidae hadde enda mer reduserte lemmer, samt lange snutepartier og små øyne. Det var stor variasjon i kroppsstørrelse hos disse dyrene, som levde for mellom 49 og 43 millioner år siden.

Protocetidae fantes for 46-36millioner år siden. Disse dyrene, som var på størrelse med små nålevende delfiner, hadde korte lemmer som indikerer at de var dårlige til å bevege seg på land. Trolig levde disse dyrene for det meste av tiden i vann, men var likevel i stand til å ta seg opp på land.