科学研究发现，爬行类是从石炭纪末期的古代两栖类进化而来的。在石炭纪时期，气候比较稳定，温暖而潮湿，但到了石炭纪末期，地球上发生了造山运动，地壳有了很大的变动，陆地上出现了大片的沙漠。在很多地区，原来温暖而潮湿的气候转变为干燥的大陆性气候—冬季寒冷，夏季炎热，从该时期树干的年轮可以看出四季的变化。植物界也随着气候的变化而改变，适应干旱的裸子植物（松树和苏铁类）逐渐代替了沼泽生的蕨类植物。在这种条件下，很多古代两栖类绝灭了，取而代之的是具有适应陆生的体制结构（防止水分蒸发的角质化皮肤、较完善的肺呼吸等）、适应陆生的生殖方式（体内受精、卵外有硬壳和胚胎具羊膜）和有比较发达的脑的爬行动物。新兴的爬行动物，在生存竞争中不断发展壮大，到中生代初期，便将两栖类排挤到次要地位。
西蒙龙（又名蜥螈）被认为是研究爬行动物起源的最重要的化石代表。西蒙龙是体长约半米的小型四足类，发现于下二叠纪。从它的结构来看，恰好介于两栖类和爬行类之间，究竟是把它放在两栖类还是放在爬行类，研究人员的意见并不一致。
西蒙龙具有一般古代两栖类的特征：颈部不明显，肩带紧贴于头骨之后；头骨与早期两栖类坚头类的头骨极为近似。
在爬行动物的发展过程中，早期最有名的就是地球上的霸主—恐龙。恐龙最早出现在2.45亿年前的三叠纪，灭亡于约6500万年前的白垩纪晚期所发生的白垩纪末灭绝事件。
恐龙是中生代的多样化优势脊椎动物，支配全球陆地生态系统超过1.6亿年之久。恐龙种类繁多，分布广泛，体型和习性相差很大。其中个子大的，可以有几十头大象加起来那么大，小的却跟一只鸡差不多，这是由爬行类的多样性造成的。就食性而言，有温顺的草食者和凶暴的肉食者，还有荤素都吃的杂食性恐龙。
恐龙对自然的侵害造成了环境的恶化，再加上自然灾害，使恐龙最终灭绝。恐龙在白垩纪结束的时候突然全部消失，成为地球生物进化史上的一个谜。地球过去的生物，均被记录在化石之中。中生代的地层中，曾发现许多恐龙的化石，其中可以看到大量各式各样形状的骨骼。但是，在紧接着的新生代地层中，却完全看不到恐龙的化石。由此推知，恐龙在中生代时完全灭绝了或进化为其他物种。可以推断当时地球环境的剧变造成了一场大灭绝、大灾难。大绝灭的结果，使得在距今约6500万年这个时间的前后，地球上生物界的面貌发生了根本性的巨变。关于恐龙绝种的真正原因，自古以来众说纷纭。科学家们经过不懈的努力，分析研究了到目前为止可以发现的所有线索，提出了解释这一大绝灭现象的各种理论，但是，关于这场大绝灭的原因仍然没有找到一个百分之百正确的答案。