Les cétacés dérivent de certains mammifères terrestres. Ces ancêtres possédaient sans doute les organes des 5 sens que nous connaissons aujourd'hui : la vue, le toucher, le goût, l'odorat et l'ouïe. Mais leurs récepteurs d'informations devaient être adaptés au milieu atmosphérique plutôt qu'à un environnement aquatique.

Lorsque les 1e cétacés ont entamé la conquête des océans, ils ont, pour assurer leur survie, été forcés d'ajuster rapidement leurs organes sensoriels à leur nouveau domaine. Dans les cas où la modification s'est révélée inefficace, d'autre organes se sont développés.

Comme les cétacés sont des animaux pulmonés leurs capacités visuelles doivent être confrontées à 2 milieux bien différents, l'air et l'eau. Conçus à l'origine pour la seule vision à l'air libre, leurs yeux ont subi des modifications pour pouvoir conserver toutes leurs facultés dans l'eau. En effet, dépendant de la densité du milieu, l'indice de réfraction est plus élevé pour l'eau que pour l'atmosphère terrestre. Sans un masque de plongée, les plongeurs humains voient flou. Les cétacés eux, ont résolu le problème par le biais de modifications physiologiques.Au cours de leur évolution, ils ont progressivement développé des muscles oculaires puissants, capables de changer la forme du cristallin selon le milieu où ils évoluent.

La vision des cétacés est essentiellement monoculaire: ces animaux sont obligés de se mettre sur le flanc pour voir, le seul oeuil alors utilisé se mouvant rapidement, de façon à offrir un champ visuel maximal. Ce comportemental est fréquent sous l'eau comme à la surface. Le champ binoculaire, qui permet une vision stéréoscopique, est réduit, il permet toutefois de viser des objets situés presque en face de la bouche.

La part que joue la vision aux grandes profondeurs est inconnu. Au-délà de 200m de profondeur, l'éclairage est extrêmement réduit. Pourtant de nombreuse espèces d'odontocètes plongent bien plus bas encore en quête de nourriture. Nombre d'anomaux des abysses sont d'ailleurs équipés d'organe luminescents. Ainsi es yeux des cétacés sont peut-être adaptés à la détection de ce type de lumières dues à des actions chimiques de fréquences déterminées.

Les yeux mobiles des mégaptères sont bien adaptés au milieu marin. Dans l'obscurité des profondeurs, les pupilles sont largement ouvertes pour capter les moindres photons. Elles se réduisent à de simples fentes en surface, où la lumière est forte.

Bien que les cétacés n'aient pas de « main », leur sens du toucher reste important. Leur peau, élaborée et hautement spécialisée, comporte un système extrêmement complexe de terminaisons nerveuses capsulées et organisées. L'épiderme est doux et s'abîme aisément.

A elle seule, la suprême perfection des lignes des cétacés ne suffit pas à expliquer les vitesses qu'ils peuvent atteindre. Au-delà d'une certaine valeur - dite « vitesse limite de carène » - des turbulences apparaissent dans les filets d'eau s'écoulant le long des flancs de l'animal. Celles-ci accroissent la résistance à la progression. Pour éviter la formation de ces tourbillons qui le freinent, le cétacés devrait constamment modifier la forme de son corps, de façon à maintenir un écoulement laminaire dans la couche limitrophe (l'interface eau/peau). Certaines zones cutanées jouent un rôle particulier. Ainsi, la surface de la peau de la région des mâchoires pourrait être utilisée par certains cétacés pour détecter les vibrations de basse fréquence. En mesurant l'accroissement de la pression locale, elle fournit à l'animal une estimation de sa vitesse.

Coordonner leur respiration reste un problème majeur pour tous les mammifères qui évoluent dans l'eau, l'air seul en effet doit parvenir aux poumons - et non un mélange d'air et d'eau. En plongée, les narines sont maintenues hermétiquement closes par des muscles puissants. Malheureusement, lors des phases respiratoires, la position de ses évents ne permet pas à l'animal de savoir avec certitude s'il a, ou non émergé à la surface de l'océan. Pour y remédier, les cétacés ont modifié la zone cutanée entourant les narines, elle est devenue capable de détecter les variations de pression locale et donc de confirmer (ou d'infirmer) l'émersion du sommet de la tête

Comme tous les mammifères, les cétacés se noient si l'eau pénètre dans les poumons. Les terminaisons nerveuses très sensibles et réparties autour de l'évent détectent les variations de pression  qui se produisent lorsque l'animal crève la surface des eaux. De puissants muscle maintiennent l'évent fermé au cours de la plongée et l'ouvre une fois à l'air libre.

Pour les créatures aquatiques, la différenciation de ces 2 facultés sensorielles n'est pas évidente, le transfert des informations chimiques ne peut s'effectuer que dans l'eau. Les 2 sens conservent pourtant une certaine spécificité: l'odorat détecte des substances émises à distance (par des proies ou des prédateurs), alors que le goût assure l'analyse des molécules présentes à portée immédiate de la bouche (en générale, de la nourriture). 

Ainsi les requins sont pourvus d'un odorat extrêmement performant, capable de « sentir » à grande distance. La bouche de ces animaux est équipée de chimio-récepteurs très efficaces, destiné à « goûter » les êtres ou les objets situés à proximité. Les capacités visuelles des cétacés sont aussi développées dans l'air que dans l'eau. En revanche, leur odorat n'est guère sensible, ni dans un milieu ni dans l'autre. Les mammifères marin semblent avoir pratiquement perdu leurs facultés de détections des odeurs véhiculées dans l'air, leur récepteurs olfactifs ont quasiment disparu. Le repositionnement des narines au sommet du crâne s'est en effet accompagné de modification fonctionnelles et opérationnelles des organes nasaux.

Les mysticètes semblent posséder un plus grand nombre de récepteurs olfactifs que les odontocètes, ils « éventreraient » ainsi les masses de plancton qui constituent l'essentiel de leur nourriture.

Certaines espèces de cétacés ont apparemment conservé des facultés gustatives. Ainsi, les dauphins sont capables de déceler un grand nombre de substances chimiques dissoutes dans l'eau, ils discernent ce que l'on pourrait appeler le sucré, le sûr, l'amer et le salé. En outre, chez plusieurs odontocètes, la langue est garnie de structures qui pourraient bien être des papilles gustatives.A ce jours il n'y a aucune donnée concernant la gustation chez les mysticètes.

L'odorat des mégaptères n'est sans doute guère développé. Probablement incapables de sentir les odeurs véhiculées par l'air, ces animaux doivent toutefois pouvoir « goûter » de faibles concentrations de matières planctoniques transportées dans l'eau, la gustation même rudimentaire, rend la recherche de la nourriture plus efficace et moins coûteuse du point de vue énergétique.

Les cétacés ont dû adapter les organes de l'ouïe (comme ils l'ont fait pour les yeux). La vitesse du son est 5 X plus élevée dans l'eau que dans l'air et le passage des ondes sonores de l'atmosphère est difficile. Une oreille remplie d'air n'est donc d'aucune utilité dans l'eau. Les oreilles sont à peine apparentes, elles se marquent seulement par un trou de faible dimension, s'ouvrant juste en arrière des yeux. Chez le tursiops, les conduits auditifs d'un diamètre de 2 à 3 mm sont situés à 5 ou 6 cm derrière les globes oculaires.

Les chercheurs débattent toujours du fonctionnement de l'organe de l'ouïe chez les cétacés. L'oreille interne des mysticètes est remplie d'une cire cornée que l'on suppose destinée à transmettre les sons sous-marins à l'oreille interne. Les baleines à fanons sont donc probablement sourdes dans l'air. Selon certains chercheurs, les conduits auditifs, ouvert en permanence, sont continuellement remplis d'eau : ils seraient donc uniquement opérationnels en plongée. Pourtant, il semble que les dauphins soient capable d'entendre après avoir fait surface. Leurs oreilles doivent alors être chargée (au moins partiellement) d'air. Les vibrations seraient transmises à l'oreille interne par les os du crâne, à moin qu'elles n'y soient conduites par le biais de dépôts de graisse très fine qui remplissent la cavité des 2 branches de la mâchoire inférieure. Du fait, chez certains odontocètes, une surface osseuse mandibulaire de la zone d'accumulation de ces tissus adipeux voit son épaisseur réduite.     

Les requins, en particulier, possède un odorat et un ouïe très performants, ce qui fait d'eux les prédateurs les plus accomplis du monde sous-marin. Ils ont dû constituer la menace la plus sérieuse pour la survie des baleines primitives, à la fois comme agresseurs et comme concurrents dans la chaîne alimentaire des océans. Les mysticètes ont résolu le problème en acquérant des tailles monstrueuses et en devenant planctophages. Pour lutter à armes égales avec les requins dans la quête de la nourriture, les odontocètes, n'ont eu d'autres choix que de développer une nouvelle faculté sensorielle capable de rivaliser avec celles des squales.

Les odontocètes ont appris à « voir avec leurs oreilles ». Ils ont développé un système sensoriel particulier utilisant les ondes sonores. C'est lui qui leur a donné le moyen de s'orienter et de localiser les proies  dans le noir des profondeurs. La communication des sons dans l'eau est à la fois effective et efficace. Rien de surprenant donc à ce qu'elle ait servi de base à l'une des facultés sensoriels les plus évoluées qui soit dans le monde animal, l'écholocation.

Le principe consiste à émettre des ondes sonores de fréquence variable, sous forme de « trains de pulsions » puis d'analyser les échos réfléchis sur les objets ou sur les êtres environnants. La vision est pour l'homme la perception par les yeux des ondes lumineuses réfléchies sur les objets et sur les êtres qui nous entourent. «Voir» par écholocation procède du même principe, mais ici, les ondes sonores sont produites par celui qui « regarde ». Les diverses espèces d'odontocètes ont chacune développé leur propre système acoustique.

On ignore la fonction et l'importance de l'oreille externe chez les cétacés. Les faibles dimensions de son ouverture (situé en arrière et en dessous des yeux) suggèrent un rôle restreint, tout au moins dans l'eau.

Le sonar du dauphin fonctionne de la façon suivante :

1er.   En déplacement normal , sans but précis, il émet un signal sonore de basse fréquence et d'un timbre assez pur. Opérant comme la sonde d'un navire, le sonar fournit à l'animal des informations cernant la topographie de la région : profondeur de l'eau, profil du fond marin et particularités côtières. Sa portée dépend de l'inreval de temps existant entre les signaux, cliquetis ou coups. Toutes les créatures de grande taille  passant à proximité d'un dauphin sont donc susceptible d'être détectées par le sonar du dauphin.

2em. Une fois l'écho reçu, il s'agit de déterminer la distance et la direction de ce qui a provoqué la réflexion du signal émis, puis d'en découvrir la nature.

3em. Une fois sa position définie, le dauphin focalise le faisceau de ses émissions sonores sur la cible. La puissance ainsi concentrée des composantes se heurte fréquence du signal accroît la précision des détails de l'objet ou de l'animal visé. En bougeant la tête, le dauphin effectue un véritable « balayage radar » de la cible, il acquiert ainsi des données concernant la taille et le mouvement de cette dernière.

4em. La fréquence des signaux s'accroît au fur et à mesure que le dauphin s'approche de la cible et l'intervalle séparant les cliquetis se réduit.

5em. A proximité immédiate de la cible, il est parfois nécessaire d'en déterminer la structure ou d'en extraire d'autres informations structurelles. L'acquisition de ces données ne peut se faire qu'avec un sonar à courte portée, émettant des signaux de très haute fréquence. L'habitude qu'on les dauphins de poser l'extrémité de leur mâchoire sur des objets ou de prendre ceux-ci dans leur bouche serait (selon certains) liée à un tel système acoustique, plutôt qu'au sens du toucher.