Fyrstu hvalirnir komu fram á sjónarsviðið fyrir 50 milljónum ára, löngu eftir útdauða risaeðlanna og löngu áður en maðurinn kom til sögunnar. Forfeður hvala þróuðust líklega út frá fornu landspendýri sem gekk um á fjórum fótum og var með tvær „tær“ eða klaufir. Hvalir og klaufdýr nýtímans, t.d. kýr, kameldýr og flóðhestar eiga því sameiginlega forfeður.
Forfaðir nútímahvala, eða fyrsta hvaldýrið, er talið vera Pakicetus, fjórfætt dýr sem var 1-2 metrar að lengd. Steingervingar sem fundist hafa í Pakistan benda til þess að ökklum dýrsins hafi svipað til ökkla klaufdýra en að höfuðkúpa þess hafi verið nokkuð lík höfuðkúpu hvala. Ólíkt nútímahvölum lifði þetta dýr ekki í vatni en er flokkað sem hvaldýr vegna lögunar innra eyra þess sem líkist innra eyra hvala og er ólíkt allra annara spendýra. Lögun tanna gefur vísbendingu um að Pakicetus hafi verið kjötæta, líkt og nútímahvalir.
Afkomendur fyrstu landhvalanna héldu líklega til í vötnum í auknum mæli, til að leita skjóls og einnig til að sækja fæðu. Öll nútímaklaufdýr eru grænmetisætur og því telja líffræðingar að hvalir séu komnir af tegundum klaufdýra sem þróuðust í kjötætur.
Ambulocetus var hvalur sem gekk á fjórum fótum en hafði sennilega fit á milli táa, líklega byggður hvort tveggja til að ganga á landi og til sunds. Greining á beinum dýrsins bendir til þess að það hafi aðlagast lífi í salt- og ferskvatni, innra eyra þess hafði þróast til að þola líf í vatni.
Hvalir hafa með tímanum þróast í tvo flokka; tannhvali og skíðishvali. Sameiginlegur forfaðir þeirra, sem lifði fyrir 34 milljónum ára, hafði líklega hvorki skíði né notaði bergmálsmiðun. Á einungis fimm milljónum ára þróuðust hvalategundir í fjölbreyttar ættkvíslir, líklega vegna örra breytinga á vistkerfum hafsins.
Fyrir 15 milljónum ára tóku hvalategundir annað þróunarstökk, en þá kólnuðu höf skyndilega sem leiddi til breytinga á hafstraumum. Á sama tíma fjölgaði lindýrum og krabbadýrum sem voru æti sumra hvalategunda.
Fyrsti skíðishvalurinn var 5 til 9 metra langur (svipað og hrefna). Fyrir um 4,5 milljónum ára voru hvalir orðnir eins stórir og þeir eru í dag. Skíðishvalir stækkuðu hratt á sama tíma og loftslag jarðar kólnaði og stórar íshellur mynduðust á norðurheimskautinu. Um vor og sumar losna næringarrík efni úr íshellunni og berast með ferskvatni út til hafs þar sem þau safnast saman nálægt ströndinni. Svifdýr berast um hafið með hafstraumum og vaxa á ógnarhraða þegar þau komast í tæri við næringarríkt umhverfi. Fram til þessa höfðu svifdýr fundist víðs vegar um höf heimsins, en kólnun sjávar leiddi til þess að nú döfnuðu þau í stórum hópum í árstíðabundnum sveiflum, og oft skildu þúsundir kílómetra á milli hópa.
Við þessar breytingar fór stærð einstaklinga að skipta máli í makavali. Stærstu einstaklingarnir, með mesta fituforðann, gátu ferðast lengri vegalengdir til þess að nýta sér þessi nýju fæðusvæði. Minni einstaklingar hurfu smá saman af sjónarsviðinu og stærri hvalir héldu velli. Það hefur marga kosti að vera risavaxinn. Risar eru ofar í fæðukeðjunni og eiga síður á hættu að verða rándýrum að bráð. En á hinn bóginn er líklegra að risavaxin dýr deyi út vegna umhverfisbreytinga.
En hvað nú? Hvalir eru enn að þróast. Vistkerfi taka reglulegum breytingum og samskipti milli tegunda eru mikil. Dýrin þurfa stöðugt að aðlagast nýjum og breyttum aðstæðum; loftslagsbreytingum, hnignun í fæðuframboði og hljóð- og efnamengun. Stærðar sinnar vegna eru hvalir sérstaklega viðkvæmir fyrir fæðuskorti.