Les zoologistes ont été amenés à subdiviser les cétacés en 2 sous-ordres : 

La dentition n'est pas le seul trait qui séparant ces 2 sous-ordres de mammifères marins.  Il existe également des différences dans les formes du crâne, du sternum et des côtes, comme dans l'aspect de l'évent. Vu d'en haut, le crâne des odontocètes est nettement asymétrique. La raison et l'importance de cette singularité sont inconnues. La présence d'un évent unique est peut-être liée à cette asymétrie.

L'une des extrémités des côtes des mammifères terrestres porte 2 apophyses articulaires. L'une (la tête) forme une articulation avec un corps vertébral, l'autre (le tubercule) constitue une articulation avec l'apophyse transverse possèdent effectivement un tubercule, mais elles sont dépourvues de tête. Les côtes s'articulant avec le sternum sont qualifiées de "sternales", les autres sont appelées "côtes flottantes".

Les traits distinctifs des 2 sous-ordres de cétacés sont les suivants:

Le corps fuselé des cétacés n'est pas une caracrtéristique "historique", son galbe, comme modelé par l'écoulement de l'eau, est celui qui offre le moin de résistance à la progression. Cette adaptation est un exemple de contrainte "fonctionnelle" sur la morphologie: elle souligne les besoins immédiats requis par la vie de tous les jours. Chez les cétacés, d'autres structures sont le résultat des mêmes exigences environnementales: parmis elles, citons les membres antérieurs aplatis en battoirs e l'aileron dorsal souvent proéminent qui contrôle sans doute l'assiette de l'animal lors de la nage. Enfin les contraintes structurelle sont contribué à fixer les limites entre lesquelles varient les dimensions des cétacés. Pour minimiser les déperditions thermiques du corps, le rapport surface-volume doit être le plus faible possible. Inversement proportionnel à la taille, ce dernier explique partiellement le gigantisme des baleines. A son tour cette démesure impose d'énormes exigences alimentaire. Ainsi, le formidable rorqual bleu, demande une imposante quantité de fanons pour assurer les besoins en énergie de sa propre masse.

La plus part des cétacés modernes possèdent un corps fuselé, hydrodynamique, propulsé par 2 puissantes nageoires caudales situées dans un plan horizontal, mais qui battent l'eau verticalement. Les parties saillantes, capable de gêner l'écoulement fluide ont disparu. De ce fait, il n'y a plus guère de poils, plus d'oreilles externes, plus de museau ou de nez saillant: les organes génitaux et les glandes mammaires sont noyés dans la silhouette de l'animal.   

La structure de la tête offre le meilleur des moyens pour identifier familles et espèces. La plus part des cétacés possèdent une mâchoire supérieure (rostre) proéminente, qui se transforme parfois en bec placé en avant des yeux. Toujours allongé, tantôt étroit et arqué tantôt marge et plat, le rostre des membres du sous-ordre des mysticètes porte des fanons capables d'extraire la nourriture de l'eau par filtration. Les représentants du sous-ordre des odontocètes sont eux, équipés d'une mâchoire supérieure rectiligne et d'une mandibule comportant une paires de dents au moins. Un "melon" bulbeux situé au-dessus des yeux contient un coussin de graisse, des muscles et des canaux en relation avec les passages nasaux. L'évent s'ouvre haut sur un front surélevé.

Les yeux, sans expression et très petits relativement à la taille de leurs possesseurs, sont placés sur les côtés de la tête, juste en arrière des commissures de la bouche. Les paupières rudimentaires ne comportant pas de cils; aucun sourcil ne les surmonte. Bien cachés, les conduits auditifs des odontocètes sont difficiles à discerner : ils sont localisés en arrière et au-dessous des yeux.

Les membres antérieurs des cétacés, placés derrière la tête en dessous du plan médian du corps, ont été transformés en nageoires bien développées. Ces dernières sont de tailles et de formes très variables. Les raisons de cette diversification sont inconnues. Chez d'autres espèces, ces structures sont relativement rigides et déployées en permanence. Chez d'autres en revanche l'articulation de l'épaule est restée remarquablement mobile. La rigidité de la partie antérieure des battoires est commune à tous les cétacés, elle est due à la disparition de l'articulation du coude.

La plus part des espèces possèdent un aileron dorsal. Planté à mi-longueur du corps, ou plus en arrière encore, il est soutenu par des tissus fibreux et durs, et non par des excroissances du squelette. Sa taille, sa position et sa forme sont variables.

Les éléments externes du corps sont relativement semblables chez la plupart des cétacés, leurs différences résident plutôt dans leur ampleur que dans leur nature. D'un groupe à l'autre, les variations du crâne sont généralement plus importante que celles révélées par le reste de l'ossature. Le squelette des cétacés diffère toutefois de celui des autres mammifères actuels.

Les divergences entre les crânes des mysticètes et ceux des odontocètes sont telles que certains chercheurs ont été jusqu'à nier tout lien de parenté entre ces 2 sous-ordre. En fait, ces différence reflètent probablement les modes d'alimentation de ces créatures. Les 2 types de crânes dérivent effectivement des archéocètes ancestraux, il résultent d'un "télescopage" des structures mammaliennes normales. Mais les détails de ce télescopage diffèrent selon le sous-ordre.

Le télescopage du crâne des odontocètes

Les os principaux de la mâchoire supérieure des baleines à dents ont été repoussés en arrière et vers le haut, au-dessus des orbites, pour ce déployer sur la partie antérieure de la boîte crânienne. La cavité de l'oreille moyenne s'est développée en un réseau complexe de sinus, situé à la bas du crâne. Capable sans doute de compenser les effets d'une pression accrue sur les cavités auriculaires lors des plongées, cette structure contribue probablement à isoler   les oreilles l'une de l'autre : la localisation d'une source sonore en est ainsi facilitée. Le périodique (la région du crâne qui porte les organes de l'ouïe et de l'équilibre) n'est pas fixé au crâne : ainsi, les sons ne peuvent plus se transmettre dans les os adjacents. Les conduits auditif externe est réduit à l'état de vestige. Les vibrations sonores sont communiquées de l'eau à l'oreille via un canal rempli de graisse qui prend naissance sur un os plat et fin de l'oreille interne.

Le télescopage du crâne des mysticètes

Outre son gigantisme, le trait le plus frappant du crâne des mysticètes est la longue mâchoire supérieure aplatie, dont les os principaux portant une rangée de lames cornées et flexibles, les fanons. Les bords internes de ces structures sont effilochés et retiennent la nourriture lorsque l'animal ferme la bouche et évacue l'eau de mer. Attachée de façon assez lâche au crâne, la mâchoire supérieure est un assemblage d'os vaguement liés les uns aux autres. Les mysticètes ne possèdent ni les muscles faciaux développes ni les sacs nasaux développés des odontocètes, leur boîte crânienne n'est pas aussi dilatée vers le haut que chez les baleines à dents. La mâchoire inférieure, édentée, ne porte aucun fanon. A l'avant, ces maxillaires, recourbés vers l'extérieure ne sont pas soudés entre eux mais réunis par des ligaments.

En arrière du crâne, le squelette diffère radicalement des mammifères terrestres. Les vertèbres cervicales sont très réduites. Certaines d'entre elles, sinon toutes, ont fusionné : la tête n'est donc pas mobile par rapport au reste du corps. Soutenus par la poussée hydrostatique, les cétacés ne sont pas soumis aux mêmes contraintes que les créatures terrestres. Les côtes ne sont pas fermement attachées au sternum ou à la colonne vertébrale. Elles sont incapables de supporter le poids de l'animal lorsqu' ce dernier est porté à la terre : s'échouer équivaut à un arrêt de mort.

La ceinture pelvienne n'est plus que vestige d'une structure où venaient s'articuler les membres postérieurs, un simple rappel des formes ancestrales quadrupèdes. Les membres antérieurs sont toujours bien développés. Malgré leurs nouvelles fonctions, ils ont conservé leur architecture primitive, identique à celle de nombreux vertébrés. Les "doigts" souvent au nombre de 4, sont allongés par une multiplication des phalanges.

De nombreux éléments de l'anatomie des cétacés diffèrent de ceux des mammifères terrestres. Associés au système nerveux, les organes sensoriels présente nombre de caractéristiques remarquables. Les fosses nasales (évents) ont perdu leur fonction olfactive, partiellement chez les mysticètes et totalement chez les odontocètes. Les yeux sont très petits par rapport à  la taille de l'animal. Les organes de l'ouïe sont quant à eux bien développés. Les conduits auditifs débouchent de part et d'autre de la tête, en arrière des yeux, et ils sont totalement obturés: la transmission du son s'effectue sans doute au travers des tissus mous. Certaines espèces sont même dépourvues de tympan; elles sont donc incapables de percevoir les bruits produits dans l'air. Les cétacés ne possèdent ni vésicule biliaire ni appendice iléo-cæcal. 

L'anatomie des céracés est moin bien connue que celle des membres des autres groupe de mammifères. A l'état sauvage, ces animaux sont difficiles à étudier; morts, leur gigantisme ne laisse pas de poser de formidables problèmes logistiques. On ignore donc les onctions de nombre de leurs structures. Plusieurs centaines d'années d'observation ont toutefois permis de mettre en relief   les remarquables adaptations de la plupart des éléments anatomiques à l'environnement marin, des adaptations qui camouflent les traits ancestraux de ces animaux, sans touefois supprimer les preuves de leurs origines.