鯨和海豚等海洋哺乳動物終生都生活在海洋中。它們有兩種基本的睡覺方法：要么身體以垂直或水平狀態靜靜地停留在水中，要么一邊睡覺一邊在同類身旁緩慢地游動。
睡覺的時候，寬吻海豚的大腦只有一側停止活動，相反一側的眼睛也開始休息。另一側大腦則保持清醒，但警覺度較低。這一側大腦對何時需要浮上水面呼吸新鮮空氣發出信號。大約兩小時后，海豚會交換左右兩側大腦承擔的任務，清醒的一側大腦開始休息，另一側已經休息了兩小時的大腦則被喚醒。
為了避免在睡眠過程中溺水，海洋哺乳動物保持對其呼吸孔的控制是至關重要的。盡管關于這一點還有爭論，但大多數研究人員認為海豚或鯨必須保持清醒和警覺才能識別出它的呼吸孔是否在水面以上。
海洋哺乳動物還有其他一些方法，可以讓它們比其他種類的哺乳動物屏住呼吸的時間更長。海洋哺乳動物的肺可以吸入更多的空氣，因為它們的肺按其占身體的比例來說比人的肺大。此外，它們每次吸氣和呼氣時可以交換更多的氧氣，它們的紅血球也具有更強的攜帶氧氣的能力。潛水的時候，海洋哺乳動物的血液只流向身體需要氧氣的部分--心臟、大腦和與游泳有關的肌肉。最后，海洋哺乳動物對碳氧化物（二氧化碳）有更強的忍耐能力。事實上，海洋哺乳動物很少會“溺水”，因為它們不在水下吸氣。