Zeehonden en walvissen zijn zoogdieren. Ze zijn warmbloedig, ademen lucht met behulp van longen en brengen levende jongen ter wereld. De voorouders van alle zeezoogdieren waren op het land levende zoogdieren. In de loop van miljoenen jaren zijn ze steeds meer in het water gaan leven, en ze hebben zich op allerlei manieren aan het leven in het water aangepast. Walvissen en dolfijnen kunnen nu niet meer buiten het water leven. Ze hebben de opwaartse kracht van het water nodig om hun lichaam te ondersteunen, en brengen hun jongen onder water ter wereld. Zeehonden gaan het land op voor de geboorte van hun jongen en om ze te zogen.
Net als vissen hebben zeezoogdieren een gestroomlijnd lichaam om goed te kunnen zwemmen. De kop is rond en de oorschelpen zijn verdwenen. De voorpoten zijn vervormd tot peddels. De achterpoten zijn bij zeehonden ook tot flippers omgevormd. Bij dolfijnen en walvissen zijn achterpoten afwezig. De staartvin van walvissen is geen uitloper van het staartbeen, maar een apart gevormd onderdeel.
Zeezoogdieren blijven in het koude water warm door hun speklaag. Die kan in tijden van voedselschaarste als reserve-energiebron worden aangesproken. Op plaatsen waar geen speklaag zit, bijvoorbeeld bij de flippers, doen zeehonden op een bijzondere manier aan warmtebesparing: de aderen die het bloed naar de flippers voeren, zijn nauw verstrengeld met de aderen die het bloed vanuit de flippers terug naar het lichaam voeren. Het bloed dat de flippers instroomt staat zijn warmte grotendeels af aan het bloed dat vanuit de flippers komt. Zo wordt het warmteverlies beperkt. De flippers worden ook gebruikt om in de zomer warmte af te voeren.
Om uitdroging en beschadiging van de huid boven water te voorkomen zijn zeehonden behaard. Dolfijnen en walvissen hebben geen haren: zij blijven altijd in het water.
De ogen van zeezoogdieren zijn zwak ontwikkeld. Om onder water hun weg te kunnen vinden maken walvissen gebruik van geluidsgolven. Zij zijn dan ook bijzonder gevoelig voor geluidhinder onder de waterspiegel. Zeehonden hebben lange, gevoelige snorharen.
Wetenschappers hebben ontdekt dat zeezoogdieren niet actief zwemmen om te duiken naar een grotere diepte. Uit beelden van videocamera's die vastgemaakt waren op de rug van verschillende soorten zeehonden, walvissen en dolfijnen bleek dat de dieren alleen aan het begin van de duik naar beneden zwemmen. Daarna vertrouwen ze op de zwaartekracht en glijden langzaam richting de bodem. Omdat ze op deze manier minder energie verbruiken kunnen ze langer onder water blijven.