Dinozaurii au dominat planeta timp de peste 160 de milioane de ani, însă speciile pe care le studiem astăzi nu au coexistat toate în aceeași perioadă. Evoluția acestor creaturi poate fi urmărită prin cele trei mari perioade ale erei mezozoice: Triasicul, Jurasicul și Cretacicul. Această istorie lungă explică faptul de ce imaginile care îi prezintă pe mulți dinozauri în același cadru sunt, de fapt, doar ficțiune.
Primii candidați pentru titlul de dinozaur sunt Nyasasaurus parringtoni, ale cărui fosile din Tanzania au o vechime de aproximativ 240-245 de milioane de ani. Totuși, cele mai vechi fosile acceptate oficial ca aparținând dinozaurilor au fost descoperite în Argentina și Brazilia, având o vechime de 230-233 de milioane de ani. Printre aceste specii timpurii se numără Eoraptor, un animal de un metru lungime, și prădătorul Herrerasaurus, care putea ajunge la câțiva metri lungime.
În Triasicul târziu, dinozaurii au început să se răspândească, dar nu erau încă animalele dominante în ecosisteme. Aceștia trăiau alături de numeroase alte reptile și de primele mamaliaforme, în timp ce specii precum Coelophysis sau sauropodomorfele Plateosaurus își pregăteau terenul pentru ascensiune. Abia la granița dintre Triasicul și Jurasicul de acum 201 de milioane de ani, după o extincție cauzată de schimbări climatice, dinozaurii au început să ocupe locurile lăsate libere.
Jurasicul a adus diversitatea și dimensiunile gigantice, fiind perioada în care au apărut marii sauropode precum Diplodocus sau Brachiosaurus. În această etapă, prădători precum Dilophosaurus au început să fie recunoscuți, în timp ce teropodele mici au început să dezvolte pene pentru protecție sau căldură. Este important de menționat că specii celebre precum Stegosaurus nu au întâlnit niciodată prădătorul Tyrannosaurus, între ele trecând aproximativ 75 de milioane de ani.
Cretacicul, început acum 145 de milioane de ani, a fost perioada în care au apărut specii precum Spinosaurus, adaptat la viața în apă. Tot în această etapă au apărut și cele mai cunoscute animale, precum Tyrannosaurus rex, Triceratops și Ankylosaurus, care au trăit în America de Nord. Acestea au reprezentat ultimele mari grupuri de dinozauri înainte ca un asteroid să lovească Peninsula Yucatan, provocând extincția în urmă cu 66 de milioane de ani.
Evoluția vieții pe Pământ este marcată de perioade de stabilitate urmate de evenimente de extincție în masă. Înainte de apariția dinozaurilor, extincția de la sfârșitul Permianului, ce a avut loc acum 252 de milioane de ani, a distrus o mare parte din viața terestră și marină. Acest eveniment a permis refacerea ecosistemelor și apariția grupului de arhozauri, din care, ulterior, au evoluat ramurile care au dat naștere dinozaurilor.