Trong thời kỳ đầu Eocene khoảng 50 triệu năm trước, một số loài động vật có vú dần dần thích nghi để phát triển mạnh trong môi trường nước, dẫn đến sự tiến hóa của các dạng của giống cá heo.

Tổ tiên sớm nhất của cá heo là động vật có vú trên cạn thuộc một bộ gần giống với động vật ăn thịt hiện nay

Những động vật có vú này sinh sống ở môi trường ven biển và gần sông và thể hiện một số khả năng thích nghi với lối sống dưới nước, chẳng hạn như các chi giống vây và mắt thích nghi với tầm nhìn dưới nước.

Theo thời gian, những động vật này trải qua những biến đổi, trở nên chuyên biệt hơn trong cuộc sống dưới nước. Các chi của chúng trở nên thon gọn, các chi sau thoái hóa thành đuôi, cơ thể dần dần có được làn da và vây mịn màng.

Cá heo dựa vào không khí để hô hấp vì chúng thiếu mang. Để phù hợp với lối sống này, cá heo sở hữu cấu trúc đường thở chuyên biệt tạo điều kiện cho việc hít vào và thở ra nhanh chóng. Lỗ mũi của chúng, nằm trên đỉnh đầu, có thể đóng mở nhanh chóng, cho phép chúng thở trên mặt nước.

Cá heo nhận thức thế giới khác với động vật có vú trên cạn và kết quả là chúng có hệ thống cảm giác bị biến đổi. Mặc dù chúng có khứu giác nhưng khứu giác của chúng đã suy giảm đáng kể. Chúng có tầm nhìn tuyệt vời, nhưng thính giác của chúng thậm chí còn rõ rệt hơn.

Không giống như động vật có vú trên cạn, cá heo không có tai ngoài và lỗ tai của chúng được bao phủ bởi một lớp màng. Môi trường dưới nước tràn ngập âm thanh và cá heo rất xuất sắc trong việc xác định nguồn kích thích thính giác thông qua khả năng nghe đặc biệt của chúng. Với dải tần số thính giác rộng, cá heo có thể nhận ra ngay cả những thay đổi nhỏ nhất trong âm thanh.

Các đặc điểm thể chất của cá heo góp phần tạo nên khả năng bơi lội và lặn vượt trội của chúng. Cơ thể thuôn gọn và cơ bắp khỏe mạnh của chúng cho phép chúng di chuyển nhanh chóng trong nước và tạo điều kiện cho chúng di chuyển linh hoạt. Vây ngực giúp ổn định và kiểm soát tư thế cơ thể, trong khi vây ở sau lưng giúp chúng duy trì sự cân bằng.

Cá heo thể hiện trí thông minh cao. Chúng nô đùa tự do trên biển, thỉnh thoảng vẽ nên những vòng cung tuyệt đẹp trên không trung. Phong thái đáng yêu và thông minh của chúng khiến chúng được con người quý mến. Chúng ta ít nhận ra rằng những sinh vật tưởng chừng như bình thường này lại sở hữu vô số khả năng vượt xa lời giải thích của con người.

Các nghiên cứu đã tiết lộ rằng khi bán cầu não phải của cá heo mệt mỏi, bán cầu não trái sẽ bị kích thích. Sự luân phiên này xảy ra khoảng 10 phút một lần đều đặn. Thông qua mô hình này, cá heo có thể ngủ trong khi bơi - một hiện tượng độc đáo trong thế giới động vật.

Cá heo là loài động vật có tính xã hội cao, hình thành các nhóm gắn kết và giao tiếp thông qua nhiều âm thanh và ngôn ngữ cơ thể. Chúng sử dụng những âm thanh như huýt sáo và rít lên để truyền tải thông điệp, những âm thanh này có thể truyền đi những khoảng cách đáng kể dưới nước.

Cá heo cũng thể hiện cảm xúc và tham gia vào các tương tác xã hội thông qua tiếp xúc xúc giác, nhảy và cử chỉ.

Sự dị hình giới tính thường thấy rõ ở cá heo, với sự khác biệt bên ngoài đáng chú ý giữa con đực và con cái. Trong mùa sinh sản, con đực thể hiện nhiều hành vi khác nhau để thu hút con cái, bao gồm nhảy, đánh nhau và phát ra những âm thanh cụ thể.

Thời gian mang thai của cá heo dao động từ khoảng 10 đến 12 tháng và con cái thường sinh một con ở dưới nước. Cá heo cái thể hiện tình cảm sâu sắc đối với con non, mang lại sự nuôi dưỡng và bảo vệ.

Cá heo đại diện cho một ví dụ đáng chú ý về sự thích nghi của động vật có vú với môi trường nước. Sự tiến hóa của chúng từ tổ tiên trên cạn bao gồm nhiều sửa đổi về thể chất và cảm giác, giúp chúng có khả năng bơi lội phi thường, hệ thống liên lạc phức tạp và các kiểu hành vi hấp dẫn.