Хотя китообразные произошли 70 миллионов лет назад, по-видимому, от каких-то хищных, близких к предкам собак, зверей (а возможно, и от насекомоядных!), все связи с сушей у них давно утеряны, а приспособления к жизни в морях, некоторых озерах и реках выражены лучше, чем у всех водных млекопитающих. Тело похоже на рыбье, но с горизонтальными лопастями хвостовых плавников. Передние конечности эволюция преобразовала в ласты, задние исчезли совсем, сохранились лишь рудименты костей таза, у гладких китов также и бедер, не связанных с позвоночником. У большинства китообразных есть спинной плавник, впрочем без костной основы.
Тело бесшерстное, кожа гладкая, с очень толстым слоем подкожного жира, который и служит термоизолятором. У кашалота, горбача и полосатиков толщина его в среднем до 18, а у гладких китов – до 50 сантиметров! Немного щетинок уцелело лишь на морде. Некоторые киты, например нарвал, совершенно безволосы. Потовых и сальных желез нет. Слюнных желез тоже нет, или они недоразвиты.
Желудок велик (у крупных китов вмещает тысячу литров!), устроен сложно: из трех камер. В первой камере пища мнется и «пережевывается» мускулатурой желудка, проглоченными камнями (у зубатых китов) и костями съеденных рыб. Почки относительно вдвое крупнее, чем у наземных зверей, так как удаляют из организма много проглоченных с морской водой солей. Нет трубчатых костей, все пористые, сильно пропитаны жиром.
Зубатых китов отличают от усатых прежде всего зубы: их может быть и 272 (рекорд для зверей!) у амазонских дельфинов, и только одна пара (клюворылы и ремнезубы), либо лишь один левый верхний клык – почти трехметровый, направленный прямо вперед сквозь верхнюю губу (у самцов нарвалов, у самок недоразвитый зачаток этого клыка). Все зубы однообразны по форме, обычно конические.
У китов усатых нет никаких зубов, вместо них по бокам верхней челюсти растут роговые поперечные пластины с бахромчатыми изнутри краями – цедилка, которая, когда кит закроет рот, выпускает лишь воду, а мелкие рачки, рыбы и кальмары остаются во рту.
У зубатых китов череп по непонятной причине асимметричный и только одна ноздря, или дыхало; усатые сохранили обе ноздри и симметричный череп. Размеры зубатых китов от метра с четвертью до 20 метров (кашалот), усатых – от 6 метров до 33. У первых самцы крупнее самок, у вторых наоборот.
У китообразных нет обоняния, зрение относительно слабое, но слух отличный. Исследования последних лет показали, что эти животные сигналят друг другу, ориентируются в пути и эхолоцируют пищу с помощью ультразвуков, как летучие мыши.