Tijdens de eerste decennia van dinosaurusontdekkingen werd er weinig nagedacht over hun evolutionaire voorouders. Niet alleen verschilden de weinige bekende exemplaren van geen enkel levend dier, maar ze verschilden ook zo sterk van andere reptielen dat het moeilijk was om veel over hun verwantschap te onderscheiden. Al vroeg werd erkend dat dinosauriërs als groep het nauwst verwant lijken met krokodilachtigen, hoewel T.H. Huxley in de jaren 1860 had voorgesteld dat dinosauriërs en vogels in een ver verleden een zeer nauwe gemeenschappelijke voorouder moeten hebben gehad. Drie anatomische kenmerken – hoektanden, een schedel met twee grote gaten (diapside), en nog een gat in de onderkaak – zijn zowel bij krokodilachtigen als bij dinosauriërs aanwezig. De vroegste krokodilachtigen kwamen bijna gelijktijdig voor met de eerste bekende dinosauriërs, zodat geen van beide het ontstaan van de andere kan hebben veroorzaakt. Lange tijd werd gedacht dat de meest waarschijnlijke afstamming van de dinosauriërs te vinden was in een slecht begrepen groep Trias-reptielen, de zogenaamde thecodontians (“koker-tand reptielen”). Tegenwoordig wordt erkend dat “thecodontians” gewoon een naam is voor de basale, of meest primitieve, leden van de archosaurs (“heersende reptielen”), een groep die zich onderscheidt door de drie bovengenoemde anatomische kenmerken en die dinosauriërs, pterosauriërs (vliegende reptielen), krokodillen, en hun uitgestorven verwanten omvat.
Een vroege kandidaat voor de voorouder van dinosaurussen was een kleine basale archosaurus uit het Vroeg-Trias tijdperk (252,2 miljoen tot 247,2 miljoen jaar geleden) van Zuid Afrika genaamd Euparkeria. Nieuwe ontdekkingen suggereren wezens die nog meer op dinosauriërs lijken uit het Midden-Trias (247,2 miljoen tot 237 miljoen jaar geleden) en uit een vroeg deel van het Laat-Trias (237 miljoen tot 201,3 miljoen jaar geleden) van Zuid-Amerika; hiertoe behoren Lagerpeton, Lagosuchus, Pseudolagosuchus, en Lewisuchus. Andere vormen, zoals Nyasasaurus en Asilisaurus, dateren uit het Midden-Trias van Oost-Afrika; Nyasasaurus wordt door sommigen beschouwd als het oudst bekende lid van de Dinosauria. Andere Zuid-Amerikaanse vormen zoals Eoraptor en Herrerasaurus zien er bijzonder dinosauriërachtig uit en worden soms als dinosauriërs beschouwd.
Het vroegste verschijnen van “echte dinosauriërs” is bijna onmogelijk aan te wijzen, omdat nooit met zekerheid kan worden vastgesteld of het allereerste (of laatste) exemplaar van welk organisme dan ook is gevonden. De opeenvolging van afzettingen die fossielen bevatten is discontinu en bevat vele hiaten; zelfs binnen deze afzettingen is het fossielenbestand van dinosaurussen en andere schepselen verre van volledig. Wat de zaak nog ingewikkelder maakt, is dat evolutie van voorouderlijke naar afstammende vorm gewoonlijk een stapsgewijs proces is. Bijgevolg wordt, naarmate meer en meer hiaten worden opgevuld tussen de eerste dinosauriërs en andere archosauriërs, het aantal kenmerken dat hen onderscheidt steeds kleiner. Momenteel definiëren paleontologen dinosauriërs als Triceratops (die de Ornithischia vertegenwoordigt), vogels (de meest recente vertegenwoordigers van de Saurischia), en alle afstammelingen van hun meest recente gemeenschappelijke voorouder. Die gemeenschappelijke voorouder had blijkbaar een reeks kenmerken die bij andere verwanten van de dinosauriërs niet aanwezig waren, waaronder het verlies van het prefrontale bot boven het oog, een lange deltopectorale kam op het opperarmbeen, drie of minder gewrichten aan de vierde vinger van de hand, drie of meer heupwervels, een volledig open heupkom, en een cnemiale kam op het scheenbeen (tibia). Deze kenmerken werden doorgegeven en gewijzigd in de nakomelingen van de eerste dinosauriërs. In vergelijking met de meeste van hun tijdgenoten hadden dinosauriërs een verbeterde houding en houding met een daaruit voortvloeiend verbeterd looppatroon en, in verschillende onafhankelijke lijnen, een algemene toename in grootte. Zij waren ook efficiënter in het verzamelen en verwerken van voedsel en hadden blijkbaar een hogere stofwisseling en een betere cardiovasculaire voeding. Al deze tendensen, afzonderlijk of gezamenlijk, droegen waarschijnlijk bij tot het collectieve succes van de dinosauriërs, dat resulteerde in hun dominantie onder de landdieren van het Mesozoïcum.