Aunque históricamente se consideraba que los cetáceos descendían de los mesoniquios, las evidencias moleculares apoyan su parentesco con los artiodáctilos.

Cuentan con una gruesa capa de grasa bajo la piel para mantener el calor corporal en las aguas frías.

En su día cazados implacablemente por las industrias comercializadoras de estos productos, en la actualidad los cetáceos están protegidos por el Derecho internacional.

[5]​ Actualmente los cetáceos (ballenas, delfines y marsopas) y los artiodáctilos se clasifican bajo el orden Cetartiodactyla, al que a menudo todavía se sigue denominando Artiodactyla, dado que los cetáceos están profundamente relacionados con los artiodáctilos).

Los parientes vivos más cercanos a los misticetos son los odontocetos (ballenas dentadas), ambos incluidos en el infraorden Cetacea.

Este comportamiento alimenticio les permite desarrollar cuerpos grandes y voluminosos, sin la necesidad de una línea hidrodinámica.

Las ballenas grises se alimentan en el fondo marino, tamizando la arena para obtener su alimento; por lo general se ponen de lado y recogen sedimentos en la boca, filtrando criaturas bentónicas como los anfípodos, lo que, al arrastrarse, les deja una apreciable marca en la cabeza.

[28]​[29]​ Se desconocía su relación evolutiva con los cetáceos dentados arcaicos (Archaeoceti) hasta el descubrimiento del extinto Janjucetus hunderi a principios de los años 1990 en Victoria (Australia).

[32]​ Se considera a Fucaia buelli como el primer misticeto, que data de hace 30-33 Ma.

[35]​ Se cree que esta radiación fue causada por un cambio climático global y una mayor actividad tectónica (la corriente Circumpolar Antártica).

[33]​[38]​ Los misticetos del Mioceno eran cazados por predadores de mayor tamaño, como Carcharodon megalodon y Zygophyseter varolai.

Los balénidos tienen fusionadas las vértebras cervicales, por lo que ninguna especie de esta familia puede mover el cuello o tiene una movilidad mínima.

La hipodermis, que contiene sobre todo grasa, es la parte más gruesa de la piel y funciona como un medio para conservar el calor corporal.

A diferencia de las ballenas dentadas, que o no tienen o solo algunas especies tienen unas pocas,[51]​ los misticetos tienen pequeñas vibrisas en la parte superior de la cabeza, que se extienden desde la punta del rostro hasta el espiráculo y, en las ballenas francas, en la mandíbula inferior.

[61]​ Al sumergirse, su ritmo cardíaco caerá de 4 a 15 pulsaciones por minuto para conservar el oxígeno.

[69]​[70]​[71]​ Durante mucho tiempo no se supo cómo podían emitir sonidos, ya que carecen de cuerdas vocales.

Los músculos que rodean la laringe pueden expulsar aire rápidamente o mantener un volumen constante durante el buceo.

La retina está rodeada por una capa reflectante de células (tapetum lucidum) que refleja la luz en la retina mejorando la vista en zonas oscuras aunque, como la luz se curva más cerca de la superficie del ojo cuando están al aire en comparación con el agua, pueden ver mucho mejor cuando están al aire en la superficie que en el agua.

Tienen una limitada visión del color, ya que carecen de conos tipo S.[74]​ Su oído está adaptado para oír bajo el agua, donde pueden percibir frecuencias de sonido tan bajas como 7 Hz y tan altas como 22 kHz.

[76]​[77]​ Los misticetos tienen un órgano vomeronasal pequeño, pero funcional, que les permite detectar sustancias químicas y feromonas liberadas por sus presas.

Se cree que 'saborear' el agua es importante para rastrear presas y localizar a otras ballenas.

Este proceso requiere mucho esfuerzo físico y solo es eficaz desde el punto de vista energético cuando se usa contra cardúmenes grandes.

[89]​ Tienen pocos predadores naturales, aunque las ballenas barbadas, sobre todo ejemplares jóvenes y crías, son presa de las orcas.

Una especie de diatomea antártica, Cocconeis ceticola, forma una biopelícula sobre su piel, que tarda un mes en desarrollarse, aunque les provoca daños menores.

Las crías nacen precoces, ya que necesitan poder nadar en la superficie en el momento de su nacimiento.

[99]​ La mayoría de los rorcuales se aparean en aguas cálidas en invierno para dar a luz casi un año más tarde.

[116]​ Todas las ballenas utilizan el sonido para comunicarse y que emiten sus conocidos «cantos», especialmente durante la temporada de cría.

[132]​ En Perú, Uruguay, Australia y Nueva Zelanda también se apoyan propuestas para prohibir permanentemente la caza de ballenas al sur del ecuador.

Su gran tamaño y apetito hace que sean criaturas con un coste de mantenimiento demasiado elevado.

[143]​ La segunda, capturada en 1971 en la misma laguna y a la que llamaron Gigi II, fue liberada un año más tarde, tras hacerse demasiado grande para poder conservarla.