大約在2.6億年前，一些哺乳動物再次返回海洋， 它們可能都是食肉動物和有蹄類動物的後代。一些科學家認為海生哺乳動物的史前先祖是水獺，其他一些科學家則認為是熊。不論它們的先祖是誰，這些哺乳動物還是基本上適應了海洋生活：身體逐漸變長，足變成蹼，并縮短成為鰭。然而它們還是保留了哺乳動物的基本特點：有毛和乳腺，並有恆定的體溫。海生哺乳動物主要分為兩類：鰭足動物（海豹、海象和海獅）和鯨類動物（鯨和海豚）。
鰭足動物是肉食動物的後裔，以魚類為食，有時也吃墨魚、魷魚和章魚。。它們的水性不如鯨類動物，不在水中生幼仔。一些鰭足動物照顧幼仔的時間非常短，在幼仔出生３周之後母親就會離開，讓它們獨立練習游泳和獵食。鰭足動物的四肢是像刀片似的鰭狀肢，由長長的趾骨支撐。鰭足動物過著群居生活。海豹有19種，其中包括格陵蘭（或稱愛爾蘭）海豹，它們主要生活在氣候惡劣的南極和北極。象海豹是一種巨型海豹，身長6.5米，重達3噸。雄性海豹將許多雌性海豹聚在一起，作為它的後宮。海象是一種大型鰭足動物，與海獅是近親，並有兩顆門牙長成成長牙。海獅在陸地上用四肢爬行要比海豹快，并且長有與海豹不同的外耳。在南半球，海獅很多，而在北太平海洋中卻極少。在繁殖季節，海獅聚集成群。鰭足動物幾乎在各個海洋都有分布，但由於人類大量捕獵以獲取它們的皮及脂肪，有些種已瀕臨滅絕，例如地中海海域的僧海豹幾乎已完全滅絕。