Dinozaury wyewoluowały z ich archozaurzych przodków około 230 milionów lat temu w epoce środkowego bądź późnego triasu, mniej więcej 20 milionów lat po wymieraniu permskim, które wyeliminowało według szacunków 95% życia na Ziemi. Datowanie radiometryczne formacji geologicznych zawierających skamieliny wczesnego dinozaura z rodzaju Eoraptor umieszcza go właśnie w tym czasie. Uważa się, że eoraptor przypomina wspólnego przodka wszystkich dinozaurów, co podaje Sereno[48]. Jeśli to prawda, sugeruje to, że pierwsze dinozaury były niewielkimi, dwunożnymi drapieżnikami. Jednakże pogląd widzący w eoraptorze drapieżnika traci na aktualności. Uważa się go raczej za wszystkożercę, jeśli nie roślinożercę, a istnieje nawet pogląd umieszczający go wśród bazalnych zauropodomorfów. Odkrycie prymitywnych, przypominających dinozaury przedstawicieli Ornithodira, jak argentyńskie Marasuchus i Lagerpeton ze środkowego triasu, wspiera ten pogląd. Analiza skamieniałości wskazuje, że byli to niewielcy drapieżnicy poruszający się dwunożnie. Dinozaury mogły jednak pojawić się już 243 miliony lat temu, czego dowodziły by skamieliny Nyasasaurus z tego czasu. Jednakże znalezione szczątki tego zwierzęcia są zbyt fragmentaryczne, by można było orzec na pewno, czy jest to dinozaur, czy też może stanowi ich najbliższą grupę zewnętrzną
Gdy pojawiły się dinozaury, siedliska lądowe zajmowały różnorodne archozauromorfy i terapsydy, jak aetozaury, cynodonty, dicynodonty, Ornithosuchidae, rauizuchy i rynchozaury. Większość z nich wymarła w triasie podczas jednego bądź dwu wymierań. Najpierw, około 215 milionów lat temu, uległy wymarciu różne bazalne archozauromorfy, w tym Prolacertiformes. Następnie około 200 milionów lat temu odbyło się wymieranie triasowe, które zmiotło z powierzchni Ziemi większość grup wczesnych archozaurów, jak aetozaury, Ornithosuchidae, fitozaury (wedle nowszych poglądów uznawane za takson siostrzany archozaurów) i Rauisuchia, a ponadto prawdopodobnie także dicynodonty. Spośród fauny lądowej przetrwały krokodylomorfy, dinozaury, ssaki, pterozaury i żółwie. Pojedyncza linia dinozaurów uległa radiacji adaptacyjnej w triase późnym i jurze wczesnej (230-190 milionów lat temu), rozdzielając się na wiele osobnych linii ewolucyjnych, wedle długo akceptowanego poglądu wypierając dawniejsze formy z ich nisz ewolucyjnych, wedle nowszego zaś po prostu zajmując nisze pozostawione po wymieraniu na przełomie karniku i noryku.
Ewolucja dinozaurów po okresie triasu odzwierciedla zmiany w roślinności i położenie kontynentów. W późnym triasie i wczesnej jurze były one połączone w pojedynczy superkontynent Pangeę. Zamieszkiwała go ogólnoświatowa fauna złożona głównie z mięsożernych celofyzoidów i roślinożernych wczesnych zauropodomorfów. Rośliny nagonasienne, zwłaszcza zaś iglaste, stanowiące potencjalne źródło pożywienia, uległy w późnym triasie radiacji. Wczesne zauropodomorfy nie dysponowały jeszcze wysublimowanymi mechanizmami rozdrabniania pokarmu w jamie ustnej, wobec czego musiały wykorzystywać inne sposoby rozdrabniania go w dalszych odcinkach przewodu pokarmowego. Ogólne podobieństwo faun dinozaurów trwało do środkowej, a nawet późnej jury, kiedy większość terenów zamieszkiwały takie drapieżniki, jak ceratozaury, spinozaury i karnozaury oraz roślinożercy w postaci ptasiomiednicznych stegozaurów i olbrzymich zauropodów. Za przykład wystarczyć może północnoamerykańska formacja Morrison i Tendaguru z Tanzanii w Afryce. Pewne różnice wykazują dinozaury z terenów Chin. Żyły tam wyspecjalizowane teropody sinraptory (bliscy krewni allozaurów) i niezwykłe długoszyje zauropody, jak mamenchizaur. Prozauropody już wyginęły, coraz częstsze stawały się ankylozaury i ornitopody. Do najpopularniejszych roślin należały iglaste i Pteridophyta. Zauropody, jak wcześniejsze prozauropody, nie rozdrabniały pokarmu w jamie ustnej, ale ptasiomiedniczne wykształciły różnorodne sposoby rozdrabniania pokarmu już w jamie ustnej. Miały prawdopodobnie narządy przypominające policzki do trzymania pokarmu w jamie ustnej, miażdżyły pokarm ruchami szczęki i żuchwy. Innym ważnym wydarzeniem ewolucyjnym jury było pojawienie się ptaków, które wykształciły się z celurozaurów z grupy maniraptorów.
We wczesnej kredzie w związku z rozpadem superkontynentu Pangei dinozaury zaczęły wykazywać znacznie zróżnicowanie na różnych masach lądowych. Najwcześniej rozprzestrzeniły się ankylozaury, iguanodonty i brachiozaury, zajmując Europę, Amerykę Północną i północ Afryki. Następnie uzupełniły je bądź wyparły w Afryce olbrzymie spinozaurydy i karcharodontozaurydy wśród teropodów, rebbachizaurydy i tytanozaury wśród zauropodów, spotykane także w Ameryce Północnej. W Azji stały się popularne celurozaury z grupy maniraptorów, w tym dromeozaurydy, troodonty i owiraptorozaury, ważnymi roślinożercami stały się ankylozaurydy i wczesne ceratopsy, jak psitakozaur. Australia była domem pierwotnych ornitopodów, zwierząt zwanych hipsylofodontami (obecnie dawniej zaliczane tam rodzaje leżą w różnych miejscach drzewa ornitopodów) i iguanodontów. Stegozaury zaczęły wymierać w późnej kredzie wczesnej bądź we wczesnej kredzie późnej. Największa zmianę kredy wczesnej, która uległa jeszcze zwiększeniu w epoce kredy późnej, polegała na ewolucji roślin kwiatowych. W tym samym czasie kilka grup dinozaurów roślinożernych wykształciło bardziej wysublimowane przystosowania do rozdrabniania pokarmu w jamie ustnej. Ceratopsy rozwinęły metodę odkrajania zębami zgrupowanymi w bateriach, iguanodonty zaś miażdżyły pokarm bateriami zębowymi, czego ekstremalnym przykładem są hadrozaury. Baterie zębowe pojawiły się również u niektórych zauropodów. Najlepszy przykład stanowi tutaj nigerzaur z rodziny rebbachizaurów.
Wyróżnia się trzy główne fauny dinozaurów kredy późnej. Na północnych kontynentach dzisiejszej Ameryki Północnej i Azji głównymi teropodami były tyranozaury i wiele różnych mniejszych maniraptorów. Roślinożercy zaliczali się głównie do ptasiomiednicznych. Wymienia się tu hadrozaury, ceratopsy, ankylozaury i pachycefalozaury. Na kontynentach południowych powstałych z rozpadu Gondwany najczęstszymi teropodami były abelizaury, roślinożercami zaś tytanozaury. W końcu w Europie dominowały teropody dromeozaury, rabdodony (z grupy iguanodontów), opancerzone nodozaury i zauropody tytanozaury[54]. Znacznie rozprzestrzeniały się rośliny kwiatowe[55], a pod koniec kredy pojawiły się pierwsze trawy[60]. Miażdżące pokarm kaczodziobe i ścinające go ceratopsy uległy olbrzymiemu zróżnicowaniu w Ameryce Północnej i Azji. Teropody także ulegały radiacji, powstawały formy wszystkożerne i roślinożerne: pospolite stały się ornitomimozaury i terizinozaury.
Koniec okresu kredowego wyznacza wymieranie, które wydarzyło się 66 milionów lat temu. Spowodowało ono zniknięcie z powierzchni Ziemi wszystkich dinozaurów z wyjątkiem ptaków Neornithes. Przeżyły też niektóre inne grupy diapsydów, jak krokodyle, żółwie, jaszczurki, węże, sfenodonty i Choristodera.
Przetrwałe linie ptaków Neornithes, wśród nich przodkowie dzisiejszych bezgrzebieniowych, Galloanserae i różnorodne siewkowe, różnicowały się gwałtownie na początku paleogenu, zajmując nisze ekologiczne opuszczone przez wymarłe grupy dinozaurów, jak nadrzewne Enantiornithes, wodne Hesperornithes czy nawet większe teropody: powstały Gastornis (Diatryma), Dromornithidae i Phorusrhacidae, zwane po angielsku "terror birds". Szybkiemu różnicowaniu uległy także ssaki, które wyparły Neornithes z większości nisz ekologicznych na lądzie.