有關史前的鼠海豚化石記錄相當少 , 最早期的鼠海豚包括生活於中新世時期北太平洋東部的沙利曼鼠海豚Salumiphocaena stocktoni(Loxolithax stocktoni) , 摩爾多瓦的Phocaena euxinica ,太平洋東部的洛馬鼠海豚Lomacetus ginsbergi , 美國加利褔亞的泡紋斜紋齒鼠海豚Loxolithax sinuosa , 中新世後期秘魯的南方鼠海豚Australithax intermedia 及晚中新世至早上新世太平洋東部墨西哥的皮斯科鼠海豚屬中的Piscolithax boreios及Piscolithax tedfordi 。至於歐洲的原鼠海豚Protophocaena , 古鼠海豚Paleophocaena及小鼠海豚Microphocaena則不被視作鼠海豚科成員 , 而小鼠海豚Microphocaena更被劃作肯氏海豚科成員 。於北美晚中新世至上新世時期西部也發現了三個未定種的鼠海豚化石,但沒有一種是和現存的鼠海豚有祖屬關係 , 而美國加利褔亞的泡紋斜紋齒鼠海豚Loxolithax sinuosa僅只有耳外骨化石發現,但卻被認為和鼠海豚科演化史的主支有關。於1859年Huxley曾把一種於紐西蘭發現的史前鯨豚類擬鼠海豚Phocaenopsis mantelli劃作鼠海豚科, 擬鼠海豚Phocaenopsis mantelli最初被描述是屬於更新世時期,但後來的研究指擬鼠海豚Phocaenopsis mantelli是生存於中新世並和鼠海豚科沒關。
洛馬鼠海豚Lomacetus ginsbergi
南方鼠海豚Australithax intermedia
於2007年日本也發現了二個新種上新世的鼠海豚---沼津鼠海豚Numataphocoena yamashita及北海道鼠海豚Haborophocoena toyoshimai。沼津鼠海豚Numataphocoena yamashita是發現於日本本州島中南岸的沼津上新世早期的Horokaoshirarika地層 , 這鼠海豚埋葬於較淺的海洋沉積物 , 化石樣本包括一副不完整的頭骨 , 右耳外骨及鼓泡 , 上頜骨前部 , 23顆牙齒及近乎完整的椎骨 , 不完整的右肩胛 , 左肩胛保存得較良好 , 前肢包括肱上膊, 徑骨, 尺骨,小數不成型的腕骨及數個肋骨 。椎骨跟肱上膊 , 徑骨及尺骨等的骨骺僵硬 , 顯示化石個體生理上已達到成熟 , 全長約220 cm。沼津鼠海豚Numataphocoena yamashita 頭骨頂部前沿有高舉的球狀突出物 , 齒冠呈竹片狀 , 顯示了鼠海豚的特點 。沼津鼠海豚Numataphocoena yamashita 顯示不少較原始的特徵 , 例如前頜骨幾乎延伸至鼻孔小窩後端 , 前頜骨後方有較小的萎縮 , 強狀的鸛突 , 耳外骨的前突較重 , 後突呈多多皺紋的 , 肱上膊相對徑骨或尺骨的長 ,椎骨主軸跟現存鼠海豚的來得不同 , 沼津鼠海豚Numataphocoena yamashita椎骨數目較少 , 椎骨前後橫突寬闊 ,相對徑骨或尺骨較長的肱上膊。
沼津鼠海豚Numataphocoena yamashita
北海道鼠海豚Haborophocoena toyoshimai是發現於北海道西北上新世的Mochikubetsu地層 , 這是最近發現的新種史前鼠海豚類。發現時頭骨是相當不完整 , 有耳外骨鼓泡, 下顎骨及眾多牙齒 , 頭骨不對稱及粗大 , 前頜骨後部未端呈現萎縮 , 前頜骨呈現較低且寬闊 , 有顯著的類似瘤狀的圓形突出物 , 幼狹的顎骨後方分裂了翼狀物, 顎骨側旁有薄層向後伸延 , 頭蓋骨基部有較深陷的小窩骨溝。北海道鼠海豚有相對細小的顳窩 , 傾斜陡峭的上枕骨盾, 耳外骨有較重的前突 , 細小的鏟狀牙齒。現生的鼠海豚有一個相對短小的吻突 , 較圓的頭骨及小身軀 , 相對其他海豚繁殖期較短及呈現早熟 , 這可能受更新世冰河時期衝擊而引致有這演化。
