השלב הראשון לפי השערה זו דמה במראהו לסקלרמוכלוס המתואר בסעיף ה"מיון", וכמוהו ניחן ביציבה זקופה הנתמכת בגפיים הנמצאים מתחת לגופו, ולא משתרעים לצדדיו. הוא ניתר ודילג כדי לנוע במהירות, וצימח כסות פלומתית שמנעה איבוד חום לסביבה, ובכך אפשרה שמירה על טמפרטורת גוף יציבה וגבוהה, והוצאת אנרגיה מרובה. ככל הנראה הוא שיחר אחרי חסרי חוליות שונים על גבי קרקעית היער, והסתתר בינות לצמחייה נמוכה וסלעים. בדומה לרוב אבותיו הזוחלים, גם ליצור זה היו חמש אצבעות בכל גפה, כשהרביעית מביניהן בכף היד היא הארוכה ביותר.
השלב השני כבר היה מטפס עצים זריז, בעל גפיים קדמיות ארוכות וחזקות יותר משל קודמו המתאימות לאורח חייו. הוא עדיין מצא את מזונו על הקרקע, אך גם חיפש אותו בין עלוות העצים. מפרקי הכתף והירך שלו היו גמישים יותר כהתאמה לטיפוס, והוא ניחן בטפרים ארוכים שסייעו לו להיאחז בחוזקה. מכיוון שגפיו הקדמיות היו כבדות יותר בשל אורכן, הוא נאלץ לעמוד ולנוע על כל ארבע גפיו. אף שעדיין שוטט באמצעות דילוגים וניתורים, הוא עשה זאת לא רק כדי לנוע מהר אלא גם בשביל לחצות מרחקים ארוכים בין משטח גבוה למשנהו. לעומת זאת, האצבע החמישית של היד כבר לא נדרשה לטיפוס, ולכן התנוונה והפכה לשריד אבולוציוני. לעומתה שימשה אצבע הרגל החמישית כעזר לשיווי משקל, והפכה ארוכה וניידת יותר. כמוה התארך גם הזנב, ואף הפך קל יותר כך שסייע בשמירת שיווי המשקל.
בשלב השלישי הלכו ההסתגלויוית האבלוציוניות והשתכללו, ביניהם היעלמותה של אצבע היד החמישית. בנוסף, בשלב זה הופיע מאפיין עיקרי לקראת התפתחות התעופה – קרומי עור גמיש שנמתחו בין הגוף והגפיים. קרומים אלו אפשרו דאייה וצניחה מוגבלות שהאריכו את קפיצותיו בין משטחים גבוהים וריככו את הנחיתה. במשך הזמן דמו מבנים אלו יותר ויותר לכנף, וכן נתמכו ונמתחו בעיקר באמצעות אצבע היד הרביעית. עצמות המסרק של כף היד הפכו לגדולות שבה, והאצבע החמישית של הרגל התארכה ותמכה גם היא בחלק האחורי של קרום התעופה.
השלב הרביעי והאחרון לפני הופעת הפטרוזאורים האמיתיים היה המתקדם ביותר, ובו קרומי התעופה, הגפיים ואצבעות התומכות של היד והרגל התארכו והתעבו עוד יותר. אצבע היד הרביעית התארכה עד כדי כך שהקשתה על ההליכה כשהיא מיושרת, ועל כן התקפלה לצד הגוף. קרום התעופה הפך צר במקביל לצד הגוף והתרחב בעיקר לאורך אצבע היד הרביעית. אצבע זו איבדה את הטופר שלה, שכן הוא לא היה דרוש עוד לסייע בטיפוס ומנגד נטה להסתבך בצמחייה. בקרום התעופה הופיעו סיבים שתמכו בו, ומנעו את התבדרותו ברוח בדומה לדגל. גפיו הארוכות ושריריו החזקים, אותם ירש מאבותיו המטפסים, סייעו לשלב הרביעי לתפעל את כנפיו ולשלוט בתעופתו ביעילות יתרה. בשלב זה מופיעה תעופה באמצעות חבטות כנפיים, וקצב חילוף החומרים הואץ בשל צריכת האנרגיה המוגברת. הכתפים גדל ושריריהן התחזקו, מה שאפשר נסיקה היישר מהקרקע, וייתר את הצורך בקפיצה ממקום גבוה. התעופה בשלב זה עדיין לא דמתה לזו של הפטרוזאורים המוקדמים, שכן הייתה גסה למדי ויעילה רק למרחקים קצרים ולתנועה בלבד, ולא למרדף אחר טרף. בשל כך הוא עדיין צד את מזונו על הקרקע או בענפי העצים. יכולת התעופה מאפשרת אולי להגדיר שלב זה כפטרוזאור, בדומה לתעופת העופות שאף היא אחד מהמאפיינים המשמשים לעיתים קרובות להגדרת מין כ"עוף".
הסתעפות הקבוצה והכחדתה.
התפתחות התעופה שחררה את הפטרוזאורים הקדמונים ממגבלות הקרקע של קודמיהם, ואפשרה להם לאכלס גומחות אקולוגיות שהיו בעבר פנויות. למשל, לפני הופעת הפטרוזאורים לא התקיימו מינים מעופפים גדולים (החרקים היו קטנים) שהיו מסוגלים ללכוד טרף תוך כדי תעופה, לקנן על צוקים וכו'. חוסר התחרות הזו הובילה לשגשוג ולהתפתחות מואצת של הפטרוזאורים, וכתוצאה מכך למגוון מינים גדול ולשוני גופני ניכר ביניהם במהלך 150 מיליוני השנים של קיומם. נראה כי אף פטרוזאור לא פיתח חוסר תעופה בדומה לעופות מסוימים, כגון הפינגוויניים והיען שאצלם יש לכנפיים תפקידים שונים, או הקיווי בעלי הכנפיים המנוונות.
הפטרוזאורים ה"מפותחים פחות" היו שונים באופן ברור מצאצאיהם המאוחרים (ראו "מאפיינים"), אך שתי קבוצות אלו חפפו בתקופת ואזור הקיום שלהן. עם הזמן, המינים המאוחרים, אשר הפגינו התאמות אבולוציוניות משוכללות יותר לסביבתם, נפוצו בהדרגה והפכו לקבוצה השלטת, תפסו את מקומם של מיני הקבוצה הקדומה אשר נעלמה מנופי אמצע המוזוזאיקון, ואכלסו גומחות אקולוגיות שונות שלא היו פתוחות בפני אבותיהם. ייתכן שגם העופות, אשר הופיעו בתור היורה כ-150 מיליון שנה לפני זמננו, התחרו עם הפטרוזאורים ה"מתקדמים פחות", ובכך האיצו את היעלמותם ותפסו את מקומם.
כך נכחדו חלוצי הפטרוזאורים, אך ממשיכי דרכם התקיימו עשרות מיליוני שנים אחריהם. אולם, עידן הפטרוזאורים נגדע סופית יחד עם זה של דודניהם הדינוזאורים, וקרוב לוודאי שכתוצאה מאותם אירועים. לקראת סוף הקרטיקון מיוצגת סדרת הפטרוזאוריה על ידי מאובנים בעלי גוף בינוני עד גדול משתי קבוצות: רובם המוחלט השתייכו לאזדרכיים (Azhdarchidae) והשאר לסוג ניקטוזאורוס (נדיר ביותר). אלו היו מינים מתמחים (specialist), כלומר כאלו המותאמים לאורח חיים מסוים, ולא מינים כוללנים (generalist) המסוגלים להסתגל לתנאים רבים ושונים. יתר על כן, בעלי חיים גדולים נוטים להתרבות ולהסתגל בקצב איטי יותר מאשר בעלי חיים קטנים. יהיו אשר יהיו אירועי הכחדת קרטיקון-שלישון שהתרחשה כ-65 מיליוני שנים לפני זמננו, סביר להניח שהם גרמו לשינויים סביבתיים שהפטרוזאורים המאוחרים להם לא היו מסוגלים להסתגל אליהם. הכחדת הפטרוזאוריה פינתה את הכס של שליטי השמיים, אותו תפסו יורשים החדשים שהחלו לשגשג ולפתח צורות מגוונות – העופות.
מיון.
כחלק מפיתוח התעופה השתנתה מאוד צורת גופם של הפטרוזאורים מזו של אבותיהם הקדומים, ולכן השוואתם לקבוצות בעלי חיים אחרות אינה מעלה מידע רב. למרות ההתקדמות המשמעותית בחקר הפטרוזאורים, אי הסכמה כללית וחוסר ידע עדיין מאפיינים את המיון של בני הקבוצה, במיוחד הקדומים יותר, ומקומם האבולוציוני בעץ הפילוגנטי אינו ברור לחלוטין. תופעה זו נפוצה בענף הפלאונטולוגיה, שכן המינים הנחקרים כבר אינם בין החיים, ומאובניהם לעיתים קרובות מפוזרים וחלקיים. למעשה, מיון הזוחלים ככלל עדיין שנוי במחלוקות.
מוסכם על כל החוקרים כי הפטרוזאורים שייכים לקבוצת בעלי שפיר עוברי, הכוללת את הקבוצות סינאפסידה (היונקים ודמוייהם) וזאורופסידה; זו האחרונה כוללת בתורה את קבוצת הדיאפסידה. קבוצות אלו נבדלות במאפיינים שונים, כאשר החשוב מביניהם הוא מספרם של פתחים בגולגולת הקרויים פתחי צדע, מכיוון שהם נמצאים מאחורי ארובות העין באזור הרקה. האנאפסידים חסרים פתחי צדע, הסינאפסידים בעלי פתח אחד בכל צד של הראש, והדיאפסידים בעלי שניים בכל צד. הפטרוזאורים ניחנו במאפיינים שונים של הזוחלים, ובכך אינם משויכים לסינאפסידה אלא לזאורופסידה, וכן בשני פתחי הגולגולת האופייניים לדיאפסידים, כך שאינם שייכים לאנאפסידה.
מנקודה זו מיון הפטרוזאוריה הולך ונהפך מעורפל יותר. ההסכמה לגבי הכללתם בקבוצת הדיאפסידה אינה מסייעת רבות, שכן קבוצה זו היא גדולה ומסועפת מאוד, ומכילה קבוצות משנה רבות. ארבע השערות קיימות בספרות המחקר:
השערה א' הציעה כי הפרוטורוזאורים והפטרוזאורים נכללים בקבוצת הקשקשאים, הכוללת בין היתר את הלטאות והנחשים. השערה זו נחשבת כיום קיצונית למדי ובלתי סבירה על שום ממצאים אחרים הסותרים אותה ושיטות הניתוח השנויות במחלוקת בהן השתמשו כדי להציגה. לדוגמה, גולגולת הפטרוזאורים שונה מאוד מגולגולת הקשקשאים, וכמעט שאין דמיון בשלד גופם וגפיהם היכול להעיד על קשר קרוב בין שתי קבוצות אלו. בניגוד להשערה א' קיימת בקרב החוקרים כיום תמימות דעים כמעט מוחלטת לגבי הכללת הפטרוזאורים בקבוצה הדיאפסידית של הארכוזאורומורפים, אשר הוציאה מקרבה שושלות אבולוציוניות רבות, בהם כל הדינוזאורים וצאצאיהם העופות.