У морских млекопитающих толстая подкожная жировой прослойка, чтобы не замёрзнуть в холода.
По сравнению с наземными животными, морские млекопитающие имеют больший объем крови, которая в свою очередь имеет больше эритроцитов, больше гемоглобина. В мышцах необычно много миоглобина, что обеспечивает лучшее связывание кислорода.
Для передвижения в водной среде морские млекопитающие приобрели обтекаемую форму тела. Их конечности имеют форму плавников, что позволяет эффективно передвигаться в воде. Снижению тепловых потерь в водной среде способствует их крупное, иногда огромное тело с относительно небольшой внешней поверхностью. Толстый слой жира используется как термоизолятор. Большинство морских млекопитающих почти не пьют морской воды, используя воду поступающую с пищей. Они имеют почки, способные выводить мочу, содержащую повышенную концентрацию солей, выше чем содержание соли в морской воде.
Для коммуникации морские млекопитающие широко используют подводные звуки. Зубатые китообразные обладают активной эхолокацией, позволяющей обнаруживать добычу в условиях ограниченной видимости под водой и легко ориентироваться. Морские млекопитающие обладают высокой чувствительностью кожи. А ластоногие и каланы, кроме того, имеют хорошо развитые вибриссы (то есть усики) .