In den ersten Jahrzehnten der Entdeckung der Dinosaurier wurde wenig über ihre evolutionäre Abstammung nachgedacht. Nicht nur, dass die wenigen bekannten Exemplare keinem lebenden Tier glichen, sie unterschieden sich auch so sehr von allen anderen Reptilien, dass es schwierig war, ihre Verwandtschaft zu erkennen. Schon früh erkannte man, dass die Dinosaurier als Gruppe am engsten mit den Krokodilen verwandt zu sein schienen, obwohl T.H. Huxley in den 1860er Jahren vorgeschlagen hatte, dass Dinosaurier und Vögel einen sehr nahen gemeinsamen Vorfahren in der fernen Vergangenheit gehabt haben mussten. Drei anatomische Merkmale – gehöckerte Zähne, ein Schädel mit zwei großen Löchern (diapsid) und ein weiteres Loch im Unterkiefer – sind sowohl bei Krokodilen als auch bei Dinosauriern vorhanden. Die ersten Krokodile traten fast gleichzeitig mit den ersten bekannten Dinosauriern auf, so dass keiner von beiden den anderen hervorgebracht haben kann. Lange Zeit ging man davon aus, dass der wahrscheinlichste Vorfahre der Dinosaurier in einer schlecht verstandenen Gruppe von Reptilien aus der Trias zu finden ist, die als Thekodonten (“Reptilien mit Steckzähnen”) bezeichnet werden. Heute ist anerkannt, dass “Thekodontier” einfach eine Bezeichnung für die basalen oder primitivsten Mitglieder der Archosaurier (“herrschende Reptilien”) ist, einer Gruppe, die sich durch die drei oben erwähnten anatomischen Merkmale auszeichnet und zu der Dinosaurier, Pterosaurier (fliegende Reptilien), Krokodile und ihre ausgestorbenen Verwandten gehören.

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Ein früher Kandidat für den Vorfahren der Dinosaurier war ein kleiner basaler Archosaurier aus der frühen Trias-Epoche (vor 252,2 Millionen bis 247,2 Millionen Jahren) in Südafrika namens Euparkeria. Neue Entdeckungen deuten auf noch dinosaurierähnlichere Kreaturen aus der Mitteltrias (vor 247,2 Millionen bis 237 Millionen Jahren) und einem frühen Teil der Spättrias (vor 237 Millionen bis 201,3 Millionen Jahren) Südamerikas hin; dazu gehören Lagerpeton, Lagosuchus, Pseudolagosuchus und Lewisuchus. Andere Formen wie Nyasasaurus und Asilisaurus stammen aus der Mittleren Trias in Ostafrika; Nyasasaurus wird von einigen als das älteste bekannte Mitglied der Dinosauria angesehen. Andere südamerikanische Formen wie Eoraptor und Herrerasaurus haben ein besonders dinosaurierähnliches Aussehen und werden manchmal als Dinosaurier angesehen.

Das früheste Auftreten “echter Dinosaurier” ist fast unmöglich zu bestimmen, da nie mit Sicherheit festgestellt werden kann, ob das allererste (oder letzte) Exemplar irgendeiner Art von Organismus gefunden worden ist. Die Abfolge der Ablagerungen, die Fossilien enthalten, ist diskontinuierlich und weist viele Lücken auf; selbst innerhalb dieser Ablagerungen ist der Fossilnachweis von Dinosauriern und anderen darin enthaltenen Lebewesen bei weitem nicht vollständig. Erschwerend kommt hinzu, dass die Evolution vom Vorfahren zum Nachfahren in der Regel ein schrittweiser Prozess ist. Da immer mehr Lücken zwischen den ersten Dinosauriern und anderen Archosauriern entstehen, wird die Zahl der Merkmale, die sie voneinander unterscheiden, immer geringer. Gegenwärtig definieren Paläontologen die Dinosaurier als Triceratops (Vertreter der Ornithischia), Vögel (die jüngsten Vertreter der Saurischia) und alle Nachkommen ihres jüngsten gemeinsamen Vorfahren. Dieser gemeinsame Vorfahre wies offenbar eine Reihe von Merkmalen auf, die bei anderen Dinosauriern nicht vorhanden waren, darunter der Verlust des Präfrontalknochens über dem Auge, ein langer deltopectoraler Kamm am Oberarmknochen, drei oder weniger Gelenke am vierten Finger der Hand, drei oder mehr Hüftwirbel, eine vollständig offene Hüftpfanne und ein Schienbeinkamm am Schienbein (Tibia). Diese Merkmale wurden an die Nachkommen der ersten Dinosaurier weitergegeben und verändert. Im Vergleich zu den meisten ihrer Zeitgenossen verfügten die Dinosaurier über eine verbesserte Haltung und einen besseren Gang, was bei mehreren unabhängigen Linien zu einer allgemeinen Größenzunahme führte. Sie waren auch effizienter bei der Nahrungssuche und -verarbeitung und verfügten offenbar über eine höhere Stoffwechselrate und eine bessere Herz-Kreislauf-Ernährung. All diese Entwicklungen trugen wahrscheinlich einzeln oder gemeinsam zum kollektiven Erfolg der Dinosaurier bei, der zu ihrer Dominanz unter den Landtieren des Mesozoikums führte.