Un mammifère marin est un mammifère inféodé à l'eau de mer, lié à un écosystème ou un biotope marin avec des caractéristiques hydromorphologiques spécifiques à cette vie aquatique.
Comme chez les mammifères terrestres, la respiration est aérienne ; ils ne peuvent vivre sans venir respirer régulièrement à la surface. De plus, ils ont le sang chaud (homéotherme ou endotherme), portent leurs petits dans leur ventre (vivipare) et pour finir ils allaitent leurs petits. A l'exception des loutres ils possèdent, comme les poissons, des nageoires.
Les biologistes dénombrent 134 espèces de mammifères marins dans le monde (dont 5 déjà éteintes). Ils sont presque tous et presque partout menacés ou en voie de régression. Des programmes de conservation ont été mis en place. Plusieurs aires marines protégées leur sont réservées, dont le sanctuaire Pelagos, qui résulte d'un accord signé en 1999 par la France, l'Italie et Monaco pour la protection des mammifères marins qui le fréquentent, de même que l'estuaire du Saint-Laurent au Québec.
Certains mammifères marins peuvent être observés en aquariums publics ou en oceanariums, et une forme d'écotourisme parfois intégrée à des programmes de sciences participatives leur est consacrée, avec notamment l'observation des baleines.
