Первыми пресмыкающимися были котилозавры, остатки которых известны с середины каменноугольного периода. Большинство из них сохранило примитивные черты, унаследованные от земноводных: череп без височных впадин, короткая шея и конечности. Размеры этих животных варьировали по размерам от полуметра у насекомоядных проколофонов до трёх метров у растительноядных парейазавров. В триасовом периоде котилозавры вымерли.
Котилозавры являются предками трёх остальных групп пресмыкающихся, обычно считающихся подклассами: анапсид, синапсид и диапсид. Разделение на эти группы производится в соответствии со строением черепа.
Анапсиды сохранили некоторые примитивные черты котилозавров. В настоящее время они представлены отрядом черепах.
Синапсиды, или зверообразные пресмыкающиеся появились в конце карбона; в пермском периоде они были самой распространённой и высокоорганизованной группой рептилий. Первыми синапсидами были пеликозавры, некоторые представители которых (например, эдафозавры) имели удлинённые отростки позвонков, образовывавшие спинной парус. Другой отряд зверообразных – терапсиды – появились в конце пермского периода. Среди терапсид можно выделить пятиметровых диноцефалов (хищных и растительноядных) и зверозубых пресмыкающихся.
Зверозубые по строению зубов, черепа, позвоночника и конечностей близки к млекопитающим. Наиболее прогрессивные из них – маленькие иктидозавры – уже в триасе были, скорее всего, теплокровными животными; они являются предками млекопитающих.
В середине юрского периода синапсиды вымерли.
Наибольшего разнообразия достиг подкласс диапсид, разделяющийся на лепидозавров, зауроптеригий и архозавров. К лепидозаврам относятся современные ящерицы и змеи, а также вымершие ихтиозавры и некоторые другие рептилии. Архозавры включают в себя динозавров, птерозавров и современный отряд крокодилов.
Зауроптеригии к настоящему времени вымерли уже полностью. Жившие в триасе нотозавры имели строение, свойственное сухопутным животным; они были хищниками (длиной до 3 м), питавшимися рыбой. Появившиеся позднее плезиозавры почти полностью утратили связь с сушей, став морскими хищниками. Большинство из них характеризовались маленькой головой и очень длинной шеей; некоторые плезиозавры были настоящими гигантами длиной до 15 м. В меловом периоде плезиозавры вымерли.
От диапсид в юрском периоде произошли птицы.