Todas las especies tienen un gran número de dientes simples y similares.
El registro fósil sugiere que los cachalotes eran más comunes en el Mioceno, donde existieron líneas basales (como el Zygophyseter y Naganocetus); otros géneros fósiles asignados al Physeteroidea incluyen Ferecetotherium, Helvicetus, Idiorophus, Diaphorocetus, Aulophyseter, Orycterocetus, Scaldicetus, y Placoziphius, mientras los fósiles del género Kogia incluyen el Kogiopsis, Scaphokogia, y Praekogia.
[5] La relación estrecha entre Physeteridae extintos está confirmada en los estudios moleculares recientes usando el citocromo mitocondial b;[6][7] de acuerdo con estos análisis, sus parientes más cercanos parecen ser los Ziphiidae por un lado, y del otro los Mysticeti y Platanistidae.
El último artículo citado también favorece el agrupamiento de Physeteridae y Kogiidae en una sola superfamilia, Physeteroidea, como ya se había sugerido previamente.
Dos especies del género Kogia, el cachalote pigmeo (Kogia breviceps) y el cachalote enano (K. sima), son algunas veces ubicados en esta familia, o sino son ubicados en su propia familia, Kogiidae.