Robben und Wale sind Säugetiere. Sie sind warmblütig, atmen mit Hilfe der Lungen Sauerstoff und bringen lebende Junge zur Welt. Die Vorfahren aller Meeressäugetiere waren einst Landsäugetiere. Im Laufe von Millionen Jahren haben diese Vorahnen das Wasser als Lebensraum erobert und sich in verschiedener Weise dem Wasserleben angepaßt. Wale und Delphine können jetzt nicht mehr außerhalb des Wassers leben. Sie haben die Auftriebskräfte des Wassers nötig um ihren Körper zu halten und bringen ihre Jungen unter Wasser zur Welt. Robben unterdessen suchen das Land auf, um ihre Jungen zu gebären und zu säugen.
Wie Fische haben auch Meeressäuger einen stromlinienfömigen Körper, der sie zu guten Schwimmern macht. Der Kopf ist rund und weit abstehende Ohrmuscheln fehlen. Die Vorderpfoten haben sich zu Flossen umgebildet und auch die Hinterpfoten der Robben sind Flossen, während sie bei den Walen und Delphinen ganz verschwunden sind. Die Schwanzflosse (Fluke) der Wale ist nicht etwa der Rest der Hinterbeine oder ein Ausläufer des Steißbeines, sondern eine "Neukonstruktion".
Meeressäuger bleiben dank ihrer Speckschicht im kalten Wasser warm. Diese kann bei Nahrungsknappheit als Reserve-Energiequelle angegriffen werden. Dort, wo die Speckschicht fehlt, z.B. an den Flossen, sparen die Seehunde auf besonderer Weise Energie ein: die Adern, die das Blut zu den Flossen führen, sind eng verschlungen mit den Venen, die das Blut von den Flossen zum Körper führen. Das Blut, das in die Flossen fließt, überträgt seine Wärme größtenteils an das Blut, das aus den Flossen kommt. So bleibt der Wärmeverlust beschränkt. Die Flossen werden auch gebraucht, um im Sommer die Wärme abzugeben.
Um Austrocknung und Beschädigung der Haut außerhalb des Wassers vorzubeugen, besitzen Robben ein Haarkleid. Delphine und Wale sind nackt, denn sie bleiben ständig im Wasser.
Die Augen der Meeressäuger sind relativ schwach entwickelt. Um sich unter Wasser zurechtzufinden, nutzen Wale Schallwellen. Sie sind auch entsprechend empfindlich gegenüber Lärm unter Wasser. Robben haben lange, sensible Schnurrhaare.
Wissenschaftler haben entdeckt, dass Meeressäugetiere nicht aktiv schwimmen, um in größere Tiefen abzutauchen. Aus Aufnahmen von Kameras, die auf den Rücken von verschiedener Robbenarten, Walen und Delphinen befestigt waren, wurde ersichtlich, dass die Tiere nur zu Beginn des Tauchganges nach unten schwimmen. Danach verlassen sie sich auf die Schwerkraft und gleiten langsam in Richtung Boden. Da sie auf diese Art weniger Energie verbrauchen, können sie länger unter Wasser bleiben.