Les archives fossiles démontrent que les mammifères sont revenus dans le domaine marin à au moins sept occasions distinctes. Cinq de ces clades existent encore, tandis que deux sont éteints. Cette revue présente une brève introduction à la phylogénie de chaque groupe de mammifères marins, basée sur les dernières études utilisant des données morphologiques et moléculaires. Les faits saillants de l’évolution sont présentés, en se concentrant sur les changements affectant les systèmes sensoriels, la locomotion, la respiration, l’alimentation et la reproduction chez les Cétacés, les Sirénies, les Desmostylies et les Pinnipèdes. Les adaptations aquatiques sont spécifiquement citées, étayées par les données d’études morphologiques et géochimiques. Par exemple, l’analyse des isotopes de l’oxygène incorporés dans l’émail dentaire fossile indique si ces mammifères se nourrissaient dans de l’eau douce ou de l’eau de mer (et donc ingérés). Des comparaisons entre les groupes sont faites pour voir s’il existe des tendances communes, en particulier en ce qui concerne les adaptations à la vie aquatique. Les résultats montrent que les caractéristiques aquatiques ont évolué dans des motifs de mosaïque et que différentes solutions morphologiques aux conditions aquatiques ont été obtenues séparément dans chacun de ces groupes. Les modifications du squelette axial et appendiculaire aident à la locomotion pour la recherche de nourriture aquatique. Les modifications du positionnement des narines et des yeux répondent aux besoins de pataugeoire par rapport aux besoins de recherche de nourriture sous l’eau. Tous les groupes présentent des adaptations aquatiques directement liées à l’alimentation, en particulier des modifications de la dentition et du rostre. Les premiers représentants de ces clades présentent tous des caractéristiques morphologiques qui indiquent qu’ils se nourrissaient dans l’eau, suggérant que l’écologie de l’alimentation est un facteur clé de l’évolution des mammifères marins.