تصور می‌شود اسب آبی در حدود ۱۵ میلیون سال پیش از یک گروه غیرآبی به نام آنتراکوترها (Anthracotheres) تکامل یافته است. از سوی دیگر، نهنگ‌ها بیش از ۵۰ میلیون سال پیش از موجوداتی که در خشکی زندگی می‌کردند، تکامل یافتند. زمانی در تاریخ تکاملی، اسب آبی و نهنگ، اجداد مشترکی داشتند که روی خشکی زندگی می‌کرد.

یکی از اولین اجداد زمینی نهنگ، حیوانی به نام پاکیسِتوس (Pakicetus) بود که به نام «نهنگ اول» یا یکی از اولین آب‌بازسانان شناخته می‌شد. این موجود که روی چهار اندام حرکت می‌کرد، ظاهراً هم از گوشت حیوانات خشکی‌زی و هم ماهیان تغذیه می‌کرده است. این موجود اولین بار در سال ۱۹۸۳ کشف شد و احتمالاً در حاشیه‌ی اقیانوس تتیس که پاکستان و هند کنونی است، زندگی می‌کرد. فسیل‌ها نشان می‌دهند که نهنگ اول، استخوان گوش مشابهی با نهنگ‌های امروزی داشته و از ساختار منحصر به‌فردی برخوردار بوده که ممکن است به پاکیستوس امکان می‌داده تا زیر آب نیز توانایی شنیدن داشته باشد.

پس از پاکیستوس، موجوداتی تکامل یافتند که بیشتر به داخل آب حرکت کردند و با این محیط جدید سازگار شدند. یکی از این‌ موجودات آمبولوسِتوس بود که حدود ۵۰ تا ۴۸ میلیون سال پیش زندگی می‌کرد. این موجود دمِ بلندی برای شنا داشت، هم در خشکی و هم در آب زمان سپری می‌کرد و هنوز چهار دست و پا داشت.

پس از آمبولوستوس، دورودونتیان (Dorudontinae) و بازیلوسوریدها (Basilosauridae) در حدود ۴۰ تا ۳۳ میلیون سال پیش ظهور کردند. باسیلوساریدها اندام‌های عقبی کوچکی داشتند و سوراخ بینی آن‌ها عقب‌تر بود که احتمالاً گام میانجی بین بینی و سوراخ تنفسی بوده است. دورودون حیوانی به طول پنج متر با پاهای عقبی و باله‌های کوچک بود که تمام وقت خود را از جمله هنگام زایمان در آب سپری می‌کرد. علاوه بر دورودونتیان و بازیلوسوریدها، نهنگ‌های اولیه‌ی دیگری نیز در همان دوره‌ی زمانی وجود داشته‌اند.

دکتر الن کامبز، محقق آب‌بازسانان در بیانیه‌ای در سال ۲۰۲۲ در مورد مطالعه‌ای درباره‌ی تکامل نهنگ‌ها توضیح داد: «در عرض هشت میلیون سال، اجداد نهنگ‌ها از حالت کاملاً خشکی‌زی مانند پاکیستوسِ چهارپا و خزدار که در اطراف لبه‌ی اقیانوس تتیس زندگی می‌کردند، به موجوداتی کاملاً آبزی تبدیل شدند. این [زمان] در مقیاس تکاملی، خیلی سریع است.»

نوادگان دورودون به نهنگ‌های مدرن تبدیل شدند. نهنگان بی‌دندان حدود ۳۴ میلیون سال پیش شروع به ایجادکردن فیلتر تغذیه برای پالیده‌خواری خود و ایجاد جمجمه‌های مسطح‌تر کردند، در حالی که دیگران دندان‌های خود را حفظ کردند و به نهنگ‌های قاتل، نهنگ‌های عنبر و دلفین‌های امروزی تبدیل شدند. این تقسیم به آب‌بازسانیان دندان‌دار (یا نهنگ‌های دندان‌دار) و آب‌بازسانیان بی‌دندان (یا نهنگان بی‌دندان) بود که نهنگ‌ها را برای تطبیق با رژیم‌های غذایی مختلف، دچار تغییراتی در بینی و صورت خود کرد.

تحقیقات ژنتیکی نشان داده است که آب‌بازسانان در کنار اندام‌های عقبی و تغییرات فیزیکی که در فسیل‌ها دیده می‌شود، وقتی که دوباره به ساکنان آب تبدیل شدند چیزی بیشتر از پاهای خود را از دست دادند. محققان کشف کرده‌اند که آب‌بازسانان در میان چیزهای دیگر، ژن تولید بزاق را از دست داده‌اند که با توجه به رژیم‌های غذایی آبزی آن‌ها منطقی است. علاوه بر این، آن‌ها دریافته‌اند که نهنگ‌های دندان‌دار بیشتر ژن‌های بویایی و چشایی خود را از دست داده‌اند.

ژنتیک می‌تواند توضیح دهد که چرا نهنگ‌های امروزی به این اندازه بزرگ شده‌اند، درحالی‌که اجداد اولیه‌ی خشکی‌زی آن‌ها به اندازه‌ی یک بز بودند. رشد عظیم نهنگ‌ها نتیجه‌ی تغییرات ژنتیکی و فشارهای تکاملی است که بدن‌های بزرگ‌تر را به دلیل مزایایی مانند حفظ بهتر گرما، افزایش راندمان شنا و کاهش خطر شکارشدن در اقیانوس ترجیح داده است. همچنین، محیط آبی با کاهش محدودیت‌های ناشی از گرانش، امکان رشد بی‌سابقه‌ی آن‌ها را فراهم کرده و انتخاب طبیعی به مرور زمان گونه‌های بزرگ‌تر را برگزیده که در نهایت به اندازه‌ی عظیم نهنگ‌های امروزی منجر شده است.