Le sous-ordre des odontocètes comprend les différentes espèces de bélugas, de cachalots, d'orques (ou épaulards), de dauphins, de marsouins, de narvals et de globicéphales.
Les odontocètes font partie des rares espèces animales (avec les chauves-souris, quelques oiseaux et certaines musaraignes) à posséder la capacité d'écholocation au moyen d'ultrasons. Ils s'en servent pour repérer leurs proies et s'orientent en analysant les échos des sons qu'ils émettent : une fonction qui s'apparente au système du sonar.
Les odontocètes sont, en général, plus petits que les mysticètes.
L'odorat serait un sens très peu utilisé chez les baleines à dents, qui n'ont pas de muqueuse olfactive, ni de nerf olfactif. Cependant, ces animaux ont toujours l'organe voméro-nasal, impliqué dans la détection de phéromones.
Les odontocètes sont homodontes c'est-à-dire que leurs dents, sauf exception comme le narval qui en principe ne possède qu'une défense, sont identiques entre elles. La dentition est très différentes parmi ces espèces, le clade formé par les Ziphiidae et les Monodontidae n'en possédant que deux, tandis que certains espèces de Platanistidae en ont plus de 120. Les dents de lait des odontocètes ne tombent pas, la seconde série reste atrophiée. Les dents des odontocètes servent à agripper les proies et leur forme dépend de leur régime alimentaire. Ainsi, leur nombre et leur forme permet aux spécialistes d'en déduire l'espèce. Certaines espèces telles que les baleines à becs ou encore les cachalots ne possèdent de dents que sur la mâchoire inférieure.
Comme tous les mammifères, les odontocètes possèdent des poumons et doivent périodiquement respirer à la surface. Les odontocètes n'ont qu'un seul évent, ce qui les distingue des baleines à fanons (qui ont deux évents).
Asymétrie du crâne
Les odontocètes présentent un crâne asymétrique, ce qui n'est pas le cas chez les mysticètes. Plusieurs chercheurs relient cette déformation à l'écholocation; leur permettant la production de sons de hautes fréquences. Cependant, bien que certains scientifiques aient déjà émis cette hypothèse, des études récentes (2011) tendent démontrer que les archéocètes, dont descendent les cétacés, présentaient déjà un crâne asymétrique malgré le fait qu'ils ne faisaient pas d'écholocation. Ces chercheurs associent donc l'asymétrie du crâne à une meilleure ouïe pour entendre les bruits émis par leurs proies, et non pas l'écho d'un son émis par le prédateur. Les mysticiètes auraient, au fil du temps, retrouvé un crâne symétrique. Des recherches plus poussées seront nécessaires pour clore la question.
Vie en communauté
Beaucoup d'espèces sont sociales. Elles forment des groupes d'individus avec une structure sociale complexe, collaborant pour la chasse et la défense mutuelle.
Intelligence
De nombreuses expériences en éthologie cognitive ont démontré leur grande intelligence.
Ils savent se reconnaître lorsqu'on les place devant un miroir dans le cadre du test du miroir de Gallup. À l'heure actuelle, à part les dauphins, cette capacité n'a été observée que chez les humains, certains singes et les éléphants. Ceci suggère que ces animaux ont conscience d'eux-mêmes.
On a aussi récemment observé des dauphins faire usage d'outils, fait rarement observé dans le règne animal. Ainsi, des dauphins ont été observés en train d'utiliser des éponges de mer pour se protéger le museau lorsqu'ils raclent le fond marin. Depuis, il a été démontré que cette technique était transmise par apprentissage des mères aux filles.
Les delphinés sont une des rares espèces qui pratiquent le sexe aussi pour le plaisir, sans intention de procréation.
On considère qu'ils représentent un cas de convergence évolutive avec les primates et en particulier, les hominidés, pour leurs grandes capacités cognitives en comparaison avec les autres taxons de mammifères marins.
