הלווייתנאים, לצד התחשאים, הם היונקים היחידים המותאמים למחיי בסביבה ימית לחלוטין למשך כל חייהם .[4] הלווייתנאים מבלים את כל חייהם בגופי מים, ואינם מסוגלים לשרוד לאורך זמן ביבשה (על אף שהם נושמים אוויר). לווייתנאים העולים ליבשה מתים תוך זמן-מה כתוצאה מחנק, עקב תמט הריאות שאינן יכולות לעמוד במשקל הגוף כשאינו נתמך במים, מהתייבשות ומסיבות אחרות. כל המבנה האנטומי והפיזיולוגי של הלווייתנאים מותאם לחיים במים, אף על פי שיש להם את כל המאפיינים הבסיסיים של שלייניים:
נשימת אוויר. הלווייתנאים נושמים אוויר כשאר היונקים והם בעלי ריאות. אף על פי שהלווייתנאים מסוגלים לצלול בעצירת נשימה לפרקי זמן שבין דקות ספורות למספר שעות — בהתאם למין הספציפי — כל הלווייתנאים חייבים לעלות לפני המים על-מנת לנשום אוויר אחת לזמן מסוים.
לב. לבם של הלווייתנאים בעל ארבעה מדורים, והוא מסייע לחלוקת הדם בצורה יעילה לאזורי הגוף השונים.
הומיאותרמיות. הלווייתנאים הם הומיאותרמיים (בעלי "דם חם"), כלומר טמפרטורת הגוף שלהם קבועה פחות או יותר ואיננה מושפעת באופן ניכר מטמפרטורת הסביבה. ללווייתנאים שכבת שומן עבה, המפחיתה במידה ניכרת את איבוד חום גופם במים.
יניקת חלב. נקבות הלווייתנאים ממליטות גורים מפותחים, הניזונים למשך תקופה ארוכה יחסית מחלב אם עשיר בשומן ובחומרים מזינים שאותו הם יונקים מבלוטות החלב של אימם. העובר מתפתח בבטן אמו, ובמהלך ההריון הוא ניזון באמצעות חבל הטבור.
נציגי הלווייתנאים הם הגדולים שבבעלי החיים בכדור הארץ. הלווייתן הכחול, העשוי להגיע לאורך של כ-30 מטרים ולמשקל של למעלה מ-100 טונות, איננו רק בעל החיים הגדול ביותר החי כיום, אלא הגדול בבעלי החיים שחיו אי פעם בכדור הארץ .[5][6] משקלו של הדינוזאור הגדול ביותר, ארגנטינוזאורוס, שחי בעידן המזוזואיקון, הוערך בכ-90 טונות. לשונו של הלווייתן הכחול גדולה כל-כך עד שפיל וכ-50 בני אדם יכולים לעמוד עליה בתוך פיו. לבו קרוב לגודלה של מכונית קטנה והוא הלב הגדול ביותר בקרב כל בעלי החיים. גם אב העורקים גדול מאוד, וקוטרו מגיע לכ-35 סנטימטרים - גדול מספיק כדי להכיל תינוק קטן .[7] מין אחר של לווייתן, הראשתן, הוא הגדול שבטורפים, אם לא מונים בטורפים את הניזונים מטרף מתלהק כפלנקטון. אורך גופם של הלווייתנאים הקטנים ביותר, הדולפין לבן הראש, הדולפין לה פלטה, המין Phocoena sinus שבפוקניים, הדולפין הדרום אפריקני (Cephalorhynchus heavisidii) ומינים נוספים, מגיע עד ל-1.7 מטרים לערך.
