Durante mucho tiempo se pensó que los delfines, junto con el resto de los cetáceos, eran descendientes de los mamíferos terrestres mesoniquios, orden extinto de ungulados carnívoros. Sin embargo, los estudios genéticos han demostrado que en realidad los cetáceos (incluidos los delfines) están más emparentados con los artiodáctilos, de los cuales se separaron hace unos sesenta millones de años; los artiodáctilos más cercanos serían los hipopótamos. Se calcula que durante el Eoceno (alrededor de cincuenta millones años atrás), los ancestros de los cetáceos se refugiaban en el agua, de modo similar a los modernos tragúlidos.
Evidencias fósiles demuestran que los odontocetos aparecieron en el Mioceno. Los primeros delfines conocidos pertenecen a la familia Kentriodontidae. Estos delfines primitivos ya poseían un desarrollado sentido de la ecolocación y el órgano del melón. Los esqueletos de los delfines modernos presentan dos pequeños huesos en la zona sacra de la columna vertebral, que corresponde a vestigios de la pelvis.
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