לכל קבוצות היונקים הימיים יש מספר מאפיינים דומים עקב הסתגלותם לסביבה מימית, בדומה לעופות ימיים ולזוחלים ימיים (וכן של מים מתוקים) שגם הם התפתחו על היבשה: כדי לא להיחנק בעת שחייה יש להם שסתומים בצוואר ובנחיריים שמונעים מהמים לחדור אליהם. המים פוגעים בראייה והחיות ששם צריכים להשתמש בחושים אחרים: לווייתני השיניים משתמשים באקולוקציה המבוססת על גלי קולות החוזרים מעצמים אל הלווייתן. ללוטרות ולטורפים הימיים יש שפם המזהה רעידות מתחת למים ולברווזן יש חישה חשמלית לגילוי סרטנים קטנים. חלקם גם רואים באור מוגבל כמו חיות לילה יבשתיות ויש להם שני תאי גנגליון בעין, לעומת יונקי מים אחרים שיש להם אחד בלבד. ליונקי הים (וכן לדובים) יש גם כליות גדולות יחסית, כדי לנקות את הגוף ממלחים מזיקים מהים.

כדי לנוע ביעילות במים הם מניעים את גופם וזנבותם מעלה-מטה כמו תולעת ומניעים את גופם בצורה הרבה יותר גמישה מחיות יבשה. לפעמים הם גם איבדו לחלוטין את גפיהם משתמשים בזנבותיהם לשם כך. עם זאת כלבי הים נעים על ידי סנפיריהם והתחשים נעים לאט יותר על ידי זנבם השטוח והם גם מסוגלים להתקדם על הקרקעית. גם הניבתנים מסוגלים לנוע על הקרקעית על ידי ניביהם הגדולים שע"י הנהון מזיזות את הגוף קדימה. מכיוון שהמים מרטיבים ומקררים יש לרב המינים פרווה צפופה ומבודדת, אך חלקם כמו הלווייתנים אין שיער ובמקום יש להם שומן עבה מתחת לעורם (ואלו כמעט היונקים היחידים שאין להם שיער). הן צריכות אומנם לצוף , אך גם לאכול מתחת למים וצריכים להיות כבדים יותר כדי לא לצוף באמצע ציד תת-מימי. יונקים אחדים עולים לאכול למעלה והם צריכים בעיקר לצוף בעת האכילה ולכן להיות יותר קלים. הדולפינים יכולים לאכול מעל ומתחת למים והם צריכים להיות נייטרלים כדי לאכול ולעלות או לרדת תוך כדי האכילה. ליונקי מים-עמוקים כאלו יש עצם כבדה ליד הלסת התחתונה ומבנה גוף קל יחסית כדי להצליח בכך. יש לדולפינים גם מוח גדול יחסית לגופם, אך לא בטוח שזה קשור להסתגלותם לימים, מאחר שכמה יונקי מים כמו התחשים אינם חיות אינטליגנטיות. זה גם לא קשור לשימוש אקולוקציה כי עטלפים שמשתמשים בזה גם אינם בעלי מוח כזה.