過渡化石
鯨豚類等海洋哺乳動物是演化自陸生的哺乳動物。巴基鯨是已滅絕的一科偶蹄目哺乳動物，也是最早的鯨魚之一，其姐妹群是印多霍斯兽。巴基鯨存活於約5200萬年前的始新世，第一個化石於1979年發現於北巴基斯坦，與特提斯洋不遠。利用特化的骨頭取代鼓膜，巴基鯨有在水中的聽覺，但是無法辨別聲音的方位。
漸新世
渐新世的海洋动物与现今的物种十分相似，如双壳纲动物。不过这个时期发现的海洋动物化石没有始新世和中新世丰富。须鲸和齿鲸已经在这个时期出现，而他们的始祖——古鲸亚目动物由于缺乏回声定位能力——这种能力在当时海水变冷和变浑浊的情况下十分有用——种群开始衰退，造成其消亡的原因还包括气候变化、来自现代鲸类和亦在该时期出现的页鲨的竞争。早期的链齿兽目动物，如河马眼索齿兽（Behemotops），其化石最早即出现在渐新世。在渐新世末期，由其与熊和水獭近似的始祖进化而来的鳍足类动物可能出现了。