El orden Cetacea se divide en tres subórdenes: Los arqueocetos (Archaeoceti) o cetáceos primitivos - un grupo ya extinto-, y dos subórdenes de cetáceos vivientes: los cetáceos con “barbas” o misticetos (suborden Mysticeti) y los cetáceos con dientes (suborden Odontoceti).

Suborden Archaeoceti. Los arqueocetos son cetáceos ya extintos, que vivieron aproximadamente de 50 a 38 millones de años atrás; entre éstos se encuentran los ancestros de las ballenas y delfines actuales. Como características presentan el cráneo alargado pero sin la telescopización observada en los otros dos subórdenes. Los orificios respiratorios se encuentran alejados del extremo del hocico, los dientes incisivos están alineados antero-posteriormente y la bulla timpánica presenta un borde interno engrosado llamado involucrum. El género Pakicetus es uno de los más antiguos; sus fósiles han sido hallados en India y Pakistán,  en depósitos de hace 50 millones de años. Otros géneros de arqueocetos importantes de mencionar son Ambulocetus, Rodhocetus, Protocetus, y Basilosaurus. Todos tenían en común, además del involucrum, la presencia de extremidades posteriores, cuyo tamaño fue reduciéndose gradualmente hasta quedar sólo como  rudimentos en los otros dos subórdenes de cetáceos. 

Suborden Mysticeti. Los miembros actuales de este grupo se caracterizan por poseer una serie de láminas córneas conocidas como “barbas de ballena”. Estas láminas de forma triangular se originan en la piel que tapiza la boca y se alinean con el borde de los maxilares. Su número puede sobrepasar las 400 en cada lado. El borde interno de cada barba es de apariencia fibrosa; al disponerse en una forma similar a las hojas de un libro, las cerdas córneas actúan como un filtro para el alimento. Las ramas de la mandíbula están sólo ligeramente articuladas y su unión anterior es flexible, lo que permite la expansión de la boca en gran medida para facilitar la alimentación. Externamente, los misticetos presentan dos orificios respiratorios. Otra característica distintiva en los misticetos modernos es su cráneo simétrico, con un arreglo de los huesos que resulta en un acortamiento del neurocráneo, debido a que el extremo proximal del maxilar se extiende ventro-lateralmente hacia atrás hasta alcanzar el borde anterior de la órbita. Además, los huesos occipital y parietal se extienden hacia adelante, hasta alcanzar el centro del espacio entre las órbitas. Dentro de este suborden se encuentran las ballenas propiamente dichas, incluidas las especies de mayor tamaño como la ballena azul, la ballena de aleta y la ballena jorobada. A diferencia de sus parientes actuales, los primeros misticetos presentaban dientes con varias cúspides, parecidos a los de los arqueocetos.

Suborden Odontoceti. Los odontocetos actuales tienen como característica la presencia de dientes en número variable, los cuales no están diferenciados como en los mamíferos terrestres y carecen de cúspides accesorias como los dientes de los arqueocetos. Externamente presentan un solo orificio respiratorio. El cráneo muestra una marcada asimetría. En este grupo la telescopización está dominada por un alargamiento posterior de los maxilares y premaxilares. Estos huesos se superponen a los huesos del neurocráneo, principalmente el frontal, y quedan cerca o casi en contacto con el borde anterior del supraoccipital. El maxilar se mantiene en el plano dorsal y no desciende hasta el borde anterior de la órbita. En la parte anterior de la cabeza se encuentra una estructura grasa conocida como melón, de tamaño variable según las especies, que se emplea en la localización de las presas. Entre los odontocetos se encuentran los delfines, marsopas, los cachalotes, los zifios, los narvales y los delfines de río, entre otros.