Les cétacés possèdent un estomac divisé en plusieurs compartiments, ou chambres, chacun ayant sa propre fonction, et, comme leurs ancêtres ongulés, ils digèrent grâce à l'action de bactéries. On sait que les herbivores ne sont pas capables d'assimiler directement la cellulose, l'hydrate de carbone des végétaux.

Dessin de Maurizio Würtz

Chez les ruminants, par exemple les bovins, ce sont les bactéries symbiotes de la première poche gastrique qui la décompose en substances plus simples et la rende assimilable. La carapace des crustacés, les mâchoires des céphalopodes et certaines parties des proies appréciées des cétacés sont constituées par de la chitine, substance organique semblable à la cellulose, et pour la digérer, des bactéries identiques à celles que l'on trouve dans l'estomac des ruminants sont nécessaires.

En général, les cétacés sont dotés d'un avant-estomac, le premier compartiment, d'un estomac pylorique, le deuxième, et d'une ampoule duodénale. Toutefois, le nombre de chambres gastriques varie selon les espèces. Ainsi, les ziiphidés peuvent en comporter jusqu'à treize, tandis que le dauphin du Yangtse et le dauphin de la Plata, l'avant-estomac est absent.

La longueur de l'estomac révèle, elle aussi la parenté entre les cétacés et les ongulés : cet organe peut être neuf ou dix fois plus long que le corps. Il est moins développé, et dépourvu de cæcum, chez les Odontocètes, en revanche, il est plus long chez les Mysticètes et le cachalot.

La vie aquatique pose aux cétacés des problèmes de régulation osmotique, dus à la différence de concentration de sel dans les liquides corporels interne et dans le milieu ambiant.

Pour y remédier, ils sont dotés d'un système rénal très performant, constitué d'unités fonctionnelles appelées "renculi". Ce sont en fait des petits reins, formés par une série de glomérules, d'anses de Henle et de tubules distaux, dont la fonction est de filtrer le sel de l'eau de mer pour ne garder que l'eau et excréter le sel en excès.