现存的灰鲸Eschrichtius robustus的化石记录可追溯至更新世早期 , 在第三纪灰鲸科有过不少种类 , 最早的灰鲸科成员是意大利阿普利亚区晚中新世地层(1161万年前 – 725万年前)发现的弓灰鲸Archaeschrichtius ruggieroi, 弓灰鲸Archaeschrichtius ruggieroi的发现提供了灰鲸科起源的线索。于意大利东北部上新世早期地层发现了灰鲸科新种加斯达灰鲸Eschrichtioides gastaldii的化石 , 加斯达灰鲸Eschrichtioides gastaldii颧宽约68厘米 , 过去被划作须鲸属种 Balaenoptera gastaldii ,但现在被认为是属于灰鲸科中基层属种 ,化石形态显示加斯达灰鲸Eschrichtioides gastaldii和现存的灰鲸关系密切 。