Az emlősök (Mammalia) állandó testhőmérsékletű gerinces állatok, melyek tüdővel lélegeznek, testüket részben, vagy teljesen szőr fedi, és tejmirigyeik váladékával táplálják utódaikat. A tengeri életmódhoz négy csoportjuk alkalmazkodott. A tengeri vidra (Enhydra lutris), mely a hideg Észak-Csendes-óceán jellegzetes faja. A tengeri emlősök közül a legkisebb képviselő. A Földközi-tengerben a fókaalakúak közül a barátfóka (Monachus monachus) és a cetek számos faja fordul elő. A tengeritehenek a meleg trópusi vizek lakói, békés növényevők. A Természetvédelmi Világszövetség Vörös Listája minden tengeri emlőst a Veszélyeztetett kategóriába sorol az utóbbi évtizedekben bekövetkező egyedszám csökkenés miatt.
Teljesen vízi életmódhoz alkalmazkodott, közepes vagy nagytestű emlősállatok. Mellső végtegjaik uszonyokká (csak vállban mozgatható) alakultak, hátsó végtagjaik elcsökevényesedtek. Farkukból vízszintes farokúszó alakult ki, melyet csupán a gerincoszlop és a vastag bőr alatti kötőszövet merevít. Szőrzetük néhány érzékszőrre redukálódott. Szaglásuk igen gyenge. Bőrük alatt vastag szigetelő zsírréteg található, mely a lebegtetés és hőszigetelés eslődleges funkcióit tölti be. Két fő csoportjukat különböztetjük meg:
1.Fogascetek (Odontoceti)Az állkapocsban sok hegyes, hengeres fog található, mely ragadozó életmódjukat tükrözi. Táplálékukat elsődlegesen halak, kalmárok, de egyes esetekben fókák, egyéb delfin fajok alkotják. Egy páratlan légzőnyílásuk van. Az ivari dimorfizmus (hímek és nőstények közti különbség) egyes esetekben szembetűnő (pl. a kardszárnyú delfin esetében – hátúszó alakja és mérete), máshol elenyésző; viszont általánosságban elmondható, hogy a hímek testmérete mindig nagyobb. Összetett kommunikációs rendszer és társas szerveződés jellemzi őket. Vízhangos helymeghatározást (echolokáció) alkalmaznak a tájékozódás és a zsákmányszerzés céljából. Az egyedek közti kommunikációra elsődlegesen magas frekvenciájú hangokat (csettintéseket, füttyöket) alkalmaznak. Társas kötelékeik az egyazon csoport tagjai között igen erősek lehetnek. A világtengerek különböző élőhelyeit népesítik be; a nyílt óceánoktól, a part menti vizekik, öblök, folyótorkolatok, és egyes fajok a folyami életmódhoz is alkalmazkodtak. Az ide tartozó családok a következőek:
A Földközi-tenger térségében leggyakrabban csíkos delfinek csoportjaival lehet találkozni. A medencében előfordul még a palackorrú delfin (Tursiops truncatus), a közönséges delfin (Delphinus delphis), hosszúszárnyú gömbölyűfejű-delfin (Globicephala melas), a Risso-delfin (Grampus griseus), és a nagy ámbráscet (Physeter macrocephalus).
Mindegyik fajuk szigorúan védett! A Természetvédelmi Világszövetség Vörös Listája a mediterrán térségben előforduló cetfajokat a Veszélyeztetett kategóriába sorolja. Egyes fajok populációinak (pl. a közönsége delfin) drasztikus egyedszám-csökkenése csaknem a kihalás szélére sodorta az állományt.
2.Sziláscetek (Mysticeti)
Az állkapocsban fogak helyett szilák találhatóak. Ezek a szaruszerű lemezek a felső állkapocsról lógnak lefelé, és a táplálék vízből való kiszűrésére szolgálnak. Planktont (zooplankton) és kisebb halakat fogyasztanak. A zsákmány elfogyasztása alapvetően kétféle: bekebelezés és lefölözés (lásd Cetek biológiája), bár ezen táplálkozási módokon belül is különböző stratégiákat fejlesztettek ki (pl. a hosszúszárnyú bálna buborékhálós zsákmányszerzés). A fejtetőn két darab (páros) légzőnyílás található. A sziláscetek esetében a nőstény állatok nagyobbak a hímeknél. Főként alacsony frekvenciájú, nagy távolságokban terjedő hanghullámokkal kommunikálnak. Szociális szerveződésük kevésbé komplex, szoros társas kapcsolat leginkább csak anya és borja között alakul ki. Főként a nyílt tengerek és óceánok lakói. Az ide tartozó családok a következőek:
A Földközi-tengerben egyetlen képviselőjük fordul elő, a közönséges barázdásbálna (Balaenoptera physalus).