于2008年比利时北部安卫普塔北海盆地南端的沙堆发现了鼠海豚科的新种鲍氏玫巧豚Septemtriocetus bosselaersi,这是北大西洋的首个鼠海豚的化石记录 , 化石是属于晚上新世时期(Piacenzian)。鲍氏玫巧豚Septemtriocetus bosselaersi颅骨要较现存最大的鼠海豚白腰鼠海豚略大一些 , 吻突基部前有收缩的前颌骨 , 鲍氏玫巧豚Septemtriocetus bosselaersi有较大的颞窝。系统学上的分析指鲍氏玫巧豚Septemtriocetus bosselaersi和日本上新世的北海道鼠海豚关系属于姐妹群 , 史前鼠海豚及现存的鼠海豚地理上的分布主要是太平洋 , 但鲍氏玫巧豚 Septemtriocetus bosselaersi的发现显示鼠海豚于晚上新世时期的早期越过北冰洋进入北大西洋,于晚上新世至更新世后来的鼠海豚扩散过程中形成了现在的港湾鼠海豚于北大西洋的分布。

有关史前的鼠海豚化石记录相当少 , 最早期的鼠海豚包括生活于中新世时期北太平洋东部的沙利曼鼠海豚Salumiphocaena stocktoni(Loxolithax stocktoni) , 摩尔多瓦的Phocaena euxinica ,太平洋东部的洛马鼠海豚Lomacetus ginsbergi , 美国加利褔亚的泡纹斜纹齿鼠海豚Loxolithax sinuosa , 中新世后期秘鲁的南方鼠海豚Australithax intermedia 及晚中新世至早上新世太平洋东部墨西哥的皮斯科鼠海豚属中的Piscolithax boreios及Piscolithax tedfordi 。至于欧洲的原鼠海豚Protophocaena , 古鼠海豚Paleophocaena及小鼠海豚Microphocaena则不被视作鼠海豚科成员 , 而小鼠海豚Microphocaena更被划作肯氏海豚科成员 。于北美晚中新世至上新世时期西部也发现了三个未定种的鼠海豚化石,但没有一种是和现存的鼠海豚有祖属关系 , 而美国加利褔亚的泡纹斜纹齿鼠海豚Loxolithax sinuosa仅只有耳外骨化石发现,但却被认为和鼠海豚科演化史的主支有关。于1859年Huxley曾把一种于新西兰发现的史前鲸豚类拟鼠海豚Phocaenopsis mantelli划作鼠海豚科, 拟鼠海豚Phocaenopsis mantelli最初被描述是属于更新世时期,但后来的研究指拟鼠海豚Phocaenopsis mantelli是生存于中新世并和鼠海豚科没关。

洛马鼠海豚Lomacetus ginsbergi

南方鼠海豚Australithax intermedia

于2007年日本也发现了二个新种上新世的鼠海豚---沼津鼠海豚Numataphocoena yamashita及北海道鼠海豚Haborophocoena toyoshimai。沼津鼠海豚Numataphocoena yamashita是发现于日本本州岛中南岸的沼津上新世早期的Horokaoshirarika地层 , 这鼠海豚埋葬于较浅的海洋沉积物 , 化石样本包括一副不完整的头骨 , 右耳外骨及鼓泡 , 上颌骨前部 , 23颗牙齿及近乎完整的椎骨 , 不完整的右肩胛 , 左肩胛保存得较良好 , 前肢包括肱上膊, 径骨, 尺骨,小数不成型的腕骨及数个肋骨 。椎骨跟肱上膊 , 径骨及尺骨等的骨骺僵硬 , 显示化石个体生理上已达到成熟 , 全长约220 cm。沼津鼠海豚Numataphocoena yamashita 头骨顶部前沿有高举的球状突出物 , 齿冠呈竹片状 , 显示了鼠海豚的特点 。沼津鼠海豚Numataphocoena yamashita 显示不少较原始的特征 , 例如前颌骨几乎延伸至鼻孔小窝后端 , 前颌骨后方有较小的萎缩 , 强状的鹳突 , 耳外骨的前突较重 , 后突呈多多皱纹的 , 肱上膊相对径骨或尺骨的长 ,椎骨主轴跟现存鼠海豚的来得不同 , 沼津鼠海豚Numataphocoena yamashita椎骨数目较少 , 椎骨前后横突宽阔 ,相对径骨或尺骨较长的肱上膊。

沼津鼠海豚Numataphocoena yamashita

北海道鼠海豚Haborophocoena toyoshimai是发现于北海道西北上新世的Mochikubetsu地层 , 这是最近发现的新种史前鼠海豚类。发现时头骨是相当不完整 , 有耳外骨鼓泡, 下颚骨及众多牙齿 , 头骨不对称及粗大 , 前颌骨后部未端呈现萎缩 , 前颌骨呈现较低且宽阔 , 有显著的类似瘤状的圆形突出物 , 幼狭的颚骨后方分裂了翼状物, 颚骨侧旁有薄层向后伸延 , 头盖骨基部有较深陷的小窝骨沟。北海道鼠海豚有相对细小的颞窝 , 倾斜陡峭的上枕骨盾, 耳外骨有较重的前突 , 细小的铲状牙齿。现生的鼠海豚有一个相对短小的吻突 , 较圆的头骨及小身躯 , 相对其他海豚繁殖期较短及呈现早熟 , 这可能受更新世冰河时期冲击而引致有这演化。