历史上，人们认为兽脚亚目与蜥脚形亚目恐龙，和臀形爬行动物之间的关系比鸟臀目恐龙更密切。然而，《生活科学》此前报道，2017年发表在《自然》杂志上的一项研究，基于对74种恐龙的分析，认为鸟臀目恐龙和兽脚亚目恐龙的关系更近。
恐龙生活在中生代的大部分时间，这是一个地质时代，从2.52亿年前持续到6600万年前。中生代包括三叠纪、侏罗纪和白垩纪。
恐龙是由三叠纪时期的小型恐龙祖先进化而来的。当时的气候恶劣而干燥，恐龙们面对来自类似鳄鱼的祖龙的竞争达数千万年之久，最终在泛大陆开始分裂时占了上风。当时，火山沿着大陆的裂缝爆发，导致全球变暖和祖龙的大规模灭绝。
在侏罗纪时期(距今一亿一千三百万到一亿四千五百万年前)，恐龙逐渐占据了统治地位。有些恐龙体型很大，例如，最早的泰坦巨龙可以追溯到1.6亿年前，它重约15吨，身长超过15米。这一时期的标志性恐龙包括雷龙、腕龙、梁龙和剑龙。
梁龙
在白垩纪时期，随着大陆之间的距离越来越远，恐龙的统治地位继续存在。这一时期的著名恐龙包括霸王龙、三角龙、棘龙和迅猛龙。记录上最大的恐龙，包括阿根廷龙，也可以追溯到白垩纪。白垩纪结束于白垩纪-第三纪(K-Pg)灭绝事件，当时一颗6英里宽(10公里)的小行星与地球相撞，在现在墨西哥的尤卡坦半岛上留下了一个直径超过110英里(180公里)的撞击坑，该撞击区被称为希克苏鲁伯陨石坑。
有些恐龙的体型很大，但有些则很小。有记录的最小的恐龙是一种现存的鸟类恐龙：来自古巴的蜂鸟，身长5厘米多一点，重不到2克。据《自然》杂志2019年的一项研究，已经灭绝的非鸟类恐龙中，最小的是来自中国的一种名为长臂龙的蝙蝠状恐龙，长32厘米，重约306克。
