Anatomia
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.
Oddychanie
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%).
Rozmnażanie
Walenie rodzą zawsze jedno młode. Czas ssania jest przeważnie długi (u wielu gatunków ponad rok), sprzyjając powstawaniu mocnych więzi matki z potomstwem. Większość waleni osiąga dojrzałość płciową późno, zwykle po siedmiu do dziesięciu lat. Ta strategia rozrodcza polega na płodzeniu nielicznego potomstwa, gwarantując mu wysokie szanse przeżycia.
Narządy płciowe podczas pływania spoczywają wciągnięte do wnęk wewnątrz ciała, co obniża opór. Większość waleni nie zawiera trwałych związków podczas parzenia się, zamiast tego samice wielu gatunków mają kilku partnerów w ciągu pory rozrodczej. Poród odbywa się ogonem naprzód, czyli sposobem o najniższym niebezpieczeństwie utopienia się noworodka. Matki karmią młode wtryskując im mleko o wysokiej zawartości tłuszczu do pyska.
Echolokacja
Walenie orientują się w środowisku między innymi za pomocą echolokacji. Wydawane przez nie ostre trzeszczące dźwięki odbijają się od przeszkód i wracają w postaci echa, po czym są "przyjmowane" przez dolną szczękę i opracowywane w mózgu. Przypuszcza się, że tłuszcz w głowie zębowców, w tworze zwanym melonem, odgrywa rolę urządzenia kondensującego wydawane dźwięki w wąską wiązkę (zobacz echolokacja waleni).
