มีการศึกษาพะยูนในทางวิทยาศาสตร์เป็นครั้งแรกใน ค.ศ. 1776 โดยได้ตัวอย่างต้นแบบจากที่จับได้จากน่านน้ำแหลมกู๊ดโฮปถึงฟิลิปปินส์ เนื่องจากมีรูปร่างคล้ายโลมาและวาฬ เดิมจึงถูกจัดรวมอยู่ในอันดับเดียวกันคือ Cetacea แต่จากการศึกษาลักษณะโครงสร้างโดยละเอียดพบว่ามีความแตกต่างกันมาก กล่าวคือ มีขนาดเล็กกว่า หัวกลม รูจมูกแยกจากกัน ปากเล็ก มีฟันหน้าและฟันกรามพัฒนาดี ไม่เป็นฟันยอดแหลมธรรมดาอย่างวาฬ[4] และมีเส้นขนที่ริมฝีปากตลอดชีวิต ใน ค.ศ. 1816 อ็องรี มารี ดูว์ครอแต เดอ แบล็งวีล นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสได้แยกความแตกต่างระหว่างพะยูนกับโลมาและวาฬออกจากกัน และจัดพะยูนเข้าไว้ในกลุ่มสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่มีกีบในอันดับ Sirenia โดยนับว่าพะยูนมีบรรพบุรุษร่วมกันกับช้างมาก่อน

นอกจากนี้ การศึกษาซากโบราณของพะยูนในสกุล Eotheroides ในประเทศอียิปต์ ยังพบว่ามีลักษณะบางอย่างเหมือนและใกล้เคียงกันกับ Moeritherium ซึ่งเป็นต้นตระกูลของช้างยุคอีโอซีนตอนต้นหรือเมื่อประมาณ 40 ล้านปีมาแล้ว Eotheroides เป็นสัตว์มี 4 ขา มีฟันครบและอาศัยอยู่ในน้ำ ต่อมามีวิวัฒนาการเพื่อให้อาศัยอยู่ในน้ำได้ดีขึ้น โดยขาหลังจะลดขนาดลงและหายไปในที่สุด ส่วนขาหน้าจะเปลี่ยนแปลงไปมีลักษณะคล้ายใบพายเพื่อให้เหมาะสมกับการว่ายน้ำ จากนั้นก็มีวิวัฒนาการมาเรื่อย ๆ จนกลายมาเป็นพะยูนในปัจจุบัน