Wygląd i anatomia waleni podporządkowane są ściśle warunkom środowiska, w którym żyją. Na przykład uszy i genitalia samców ukryte są wewnątrz ciała, co zmniejsza opór wody w trakcie przemieszczania się zwierzęcia. Gruba warstwa tłuszczu nie tylko stanowi zapas energetyczny, ale przede wszystkich chroni przed nadmiernym oziębieniem organizmu. Otwory nosowe znajdują się na czubku głowy, co umożliwia oddychanie z zanurzonym ciałem. Walenie pływają za pomocą płetwy ogonowej, ustawionej poziomo (w przeciwieństwie do ryb). Płetwy piersiowe pomagają w sterowaniu. Odpowiadają one przednim kończynom ssaków lądowych. Tylne kończyny są całkowicie zredukowane, jedyną pozostałością są drobne kości wewnątrz ciała. Dodatkowo większość gatunków posiada płetwę grzbietową. W głębi oceanu panują bardzo wysokie ciśnienia. Przed zanurzeniem wieloryby nabierają w płuca dużo powietrza. W głębinach zostaje ono zmiażdżone do ułamka poprzedniej objętości, zgniatane są też płuca i otaczające tkanki. Żeby odkształcenie płuc jak najmniej wpływało na kształt innych narządów, pojemność płuc wielorybów jest, w przeliczeniu na jednostkę masy ciała, dwukrotnie mniejsza niż u jakiegokolwiek ssaka lądowego. Mimo to fiszbinowce wytrzymują pod wodą do 40 minut, a kaszalot nawet ponad dwie godziny. Jest to możliwe, ponieważ pojemność jednego wdechu wieloryba stanowi 90% całkowitej pojemności płuc. Ponadto gromadzą one tylko niewielką część tlenu w płucach (9%). Reszta przechowywana jest we krwi (41%) oraz w mioglobinie w mięśniach (50%).
