קארולוס לינאוס, חוקר הטבע השוודי שייסד את במאה ה-18 את שיטת מיון עולם הטבע, עדיין לא הבחין בין דו-חיים לזוחלים, אולי משום שכמה מן הזוחלים שהכיר היטב היו נחשים החיים במים, וכלל את כולם תחת המונח דו-חיים ("Amphibia"). כתוצאה מבלבול זה, חקר הזוחלים והדו-חיים גם יחד נקרא עד היום "הרפטולוגיה".המונח נגזר מהמילה היוונית "herpeton" שמשמעותה "דבר זוחל". חוקר הטבע האוסטרי יוספוס ניקולאוס לאורנטי היה הראשון שהבחין בין דו-חיים לזוחלים, בשנת 1768, והוא זה שנתן לזוחלים את שמם המדעי Reptilia, אם כי עדיין כתת-קבוצה בתוך קבוצה הכוללת גם את הדו-חיים. המיון המודרני, לעומת זאת, מתייחס לזוחלים כקרובים יותר לעופות וליונקים מאשר לדו-חיים.
במאה ה-19, תומאס הקסלי וריצ'רד אוון הפכו את מיונו של לאורנטי למקובל, והוסיפו לזוחלים את הדינוזאורים ומאובנים נוספים של "מפלצות שלפני המבול" (כפי שנקראו באותן שנים). בשנת 1866 הראה ארנסט הקל כי ניתן לחלק את החולייתנים על פי דרך הרבייה שלהם, וכי הזוחלים, העופות והיונקים שייכים לקבוצת בעלי שפיר עוברי. בסוף המאה ה-19 הוגדרה מחלקת הזוחלים כבעלי שפיר עוברי שאינם יונקים או עופות, והוכרו סימני שלד המבדילים אותה משאר המחלקות, כמו פול (קונדיל) עורפי יחיד בגולגולת ומפרוק הלסת בין עצם הריבוע (quadrate) בלסת העליונה ועצם המפרוק (articular) בלסת התחתונה.
במאה ה-20 פותחה החלוקה הפנימית הבסיסית של הזוחלים (ולמעשה של כל בעלי השפיר העוברי) על פי פתחי הצדע (temporal fenestrae) בגולגולת שלהם לשלוש קבוצות עיקריות: חסרי פתחי צדע - אנפסידה, בעלי פתח אחד מכל צד - סינאפסידה, ובעלי שני פתחים מכל צד - דיאפסידה. חלוקה זו אושרה ברובה בתחילת המאה ה-21 באמצעות חקר רצפי DNA בגנום. בהמשך קבוצת האנפסידה בוטלה וחבריה שויכו לבני קבוצת הזאוריה.
סיווג ומיון.
מחלקת הזוחלים (Class: Reptilia), אחת מארבע המחלקות ה"קלסיות" של בעלי ארבע רגליים (ביחד עם דו-חיים, יונקים ועופות), כבר איננה קיימת בחלוקות טקסונומיות חדישות. הסיבה לכך היא שמחלקה זו היא פאראפילטית, כלומר היא אינה כוללת שניים מן הענפים שהשתלשלו מן הזוחלים - היונקים והעופות. זאת בניגוד למוסכמה בטקסונומיה הקלדיסטית המודרנית, לפיה קבוצות צריכות להיות מונופילטיות, כלומר לכלול את האב הקדמון של הקבוצה ואת כל הענפים שהשתלשלו ממנו. למעשה, התנינאים שהם "זוחלים" קרובים יותר לעופות מאשר לזוחלים אחרים כמו צבים. דבר כזה אינו יכול לקרות בחלוקה מונופילטית תקינה.
למרות זאת, המיון הפראפילטי הישן של מחלקת הזוחלים עדיין נפוץ ומקובל באנציקלופדיות, לקסיקונים וספרות זואולוגית נוספת לציבור הרחב. מיון זה הוא נוח משום שישנן תכונות פנוטיפיות רבות אשר משותפות לקבוצות ה"זוחלים" הקיימות בימינו, כמו תנינים וצבים, אך לא ליונקים ועופות. התכונה המשותפת החשובה ביותר המייחדת זוחלים הקיימים בימינו היא היותם "קרי-דם", ומתכונה זו נובעות תכונות רבות נוספות: עור החסר כסות מבודדת דוגמת פרווה או נוצות, חילוף חומרים איטי יותר, מוח קטן יותר ואינטליגנציה נמוכה יותר. עם זאת, ייתכן מאוד שכמה קבוצות "זוחלים" נכחדות, ובעיקר חלק מן הדינוזאורים, היו חמי-דם ובעלי כסות נוצות.
בחלוקה הטקסונומית המפושטת למטה, קבוצות הידועות כ"זוחלים" מופיעות בכתב מודגש, וניתן לראות כי הם אינם יוצרים ענף נפרד משל עצמם:
אבולוציה.
מוצא בתור הקרבון.
מוצאם של הזוחלים הוא מתת-מחלקה קדומה של דו-חיים, הלבירינתודונטיה. הדו-חיים היו החולייתנים הראשונים שעלו מן הים ליבשה, בסוף תור הדבון לפני כ-375 מיליוני שנה, אך עד היום הם מתרבים רק במים, ולכן מעולם לא השתלטו לחלוטין על בתי הגידול היבשתיים. השתלטות כזו ארעה רק עם הופעת הזוחלים בסוף תור הקרבון, לפני כ-340 מיליון שנה, הודות להתפתחותן של ביצים בעלת קרום שפיר, המסוגלות לשרוד מחוץ למים.
עדיין לא ברור במדויק איזו מקבוצות הלבירינתודטיה התפתחו לזוחלים. מכיוון שמאובני ביצים הם נדירים, וקשה מאוד לזהות אם הן בעלות קרום שפיר, ההבדל בין מאובני דו-חיים וזוחלים מוגדר בעיקר על פי מאפייני שלד שלהם. כזוחל הקדום ביותר הידוע למדע נחשב בדרך-כלל הסוג הילונומוס מנובה סקוטיה בעוד בעבר סברו שהיה זה הסוג "Westlothiana" או הקאסינריה ("Casineria"), שמאובן שלו התגלה בסקוטלנד בשנת 1999.
הסתעפות בתור הפרם.
מקובל כיום שהזוחלים הראשונים היו אנאפסידיים, כלומר בעלי גולגולת שלמה וחסרת פתחי-צדע מאחורי פתחי העיניים והנחיריים. עם הזמן הופיעו פתחים בגולגולת שאיפשרו מעבר של שרירי לעיסה. מספרם ומיקומם של פתחים אלו הם בעלי חשיבות רבה בהתחקות אחר האבולוציה של הזוחלים, ולמעשה אחר האבולוציה של כל בעלי השפיר, ובכללם היונקים והעופות.
בשלב מוקדם באבולוציה של הזוחלים התפצל הענף הסינפסידי, המאופיין בפתח צדע אחד (מכל צד של הגולגולת) בעמדה תחתית יחסית. בענף זה התפתחה קבוצת הפליקוזאוריה, ששגשגה בתור הפרם המוקדם. כמה ממיני הפליקוזאורים היו בעלי החיים הגדולים ביותר על היבשה בתקופתם, באורך של שלושה מטרים ויותר, חלקם טורפים כמו דימטרודון ואחרים אוכלי-צמחים כמו אדפוזאורוס. קבוצה גדולה נוספת של סינפסידיים, התראפסידה, התפתחו ככל הנראה מן הקוטילוזאורים, והיו אבות היונקים. כל קבוצות הזוחלים הסינפסידים נכחדו עם הזמן, והיונקים הם הסינפסידיים היחידים החיים בימינו.
בענף השני של הזוחלים הופיעו הדיאפסידיים, המאופיינים בשני פתחי צדע בכל צד של הגולגולת. הם היו בתחילה הענף הקטן והפחות מפותח, אף שכיום הם כוללים את כל הזוחלים החיים, וכן את העופות.
הצבים הם בעלי גולגולת אנאפסידית, ולכן במשך שנים רבות היה מקובל לראות אותם כקבוצה הפרימיטיבית ביותר של זוחלים בני-ימינו, שהשתלשלה ישירות מן הזוחלים האנאפסידיים הראשונים. ואולם בשנים האחרונות, מספר מחקרים על פי רצפי גנום מצביעים על כך שהצבים השתלשלו מזוחלים דיאפסידיים, ומכאן שפתחי הצדע שלהם נסגרו באופן משני.
בסוף תור הפרם, לפני כ-250 מיליון שנה, התרחשה הכחדת פרם-טריאס – הכחדה המונית מן הקשות שתועדו ברשומות המאובנים. על פי הערכות נכחדו בה כ-70% מכלל מיני החולייתנים היבשתיים. הכחדה זו סיימה את עידן השליטה הסינאפסידית ופתחה את תור השגשוג של הזוחלים הדיאפסידים, אשר ככל הנראה היו מותאמים טוב יותר לאקלים הגלובלי החם והיבש שאפיין את מרבית עידן המזוזואיקון.
השגשוג במזוזואיקון.
עידן המזוזואיקון מכונה לעיתים קרובות "עידן הזוחלים". הוא כלל את תור הטריאס, תור היורה ותור הקרטיקון שנמשכו יחד 180 מיליון שנה, והתאפיינו בשגשוג ובשליטה של הזוחלים הדיאפסידים, שהגיעו לשיאים של מגוון וגודל הגוף, ואכלסו בתי-גידול רבים ביבשה, בים ובאוויר. לשם השוואה, עידן השליטה של היונקים בקנוזואיקון נמשך עד היום 65 מיליון שנה בלבד.
הפלזיוזאורים והאיכתיוזאורים שבו באופן משני לחיים באוקיינוס, וכללו כמה מן הטורפים הימיים הגדולים ביותר. אצל האיכתיוזאורים בייחוד התפתח מבנה גוף דמוי-דג, עם סנפירי גב וזנב, ובכך הם מזכירים את הלווייתנאים של ימינו. הסוגים הגדולים ביותר שלהם הגיעו לאורך 21 מטרים ולמשקל של 20 טון.
הארכוזאורים השתלטו על היבשה בתחילת תור הטריאס, לפני כ-230 מיליון שנה. חלקם היו בעלי רגליים זקופות עם כפות המוצבות מתחת לגוף (ולא פרושות לצדדים כמו בזוחלים בני-ימינו), מה שאיפשר להם תנועה מהירה יותר. היו בהם אף כאלו שרצו וקפצו על שתי רגליהם האחוריות, כמו פופוזאורוס, טורף זריז באורך 4 מטרים.
מן הארכוזאורים התפצלו התנינאים, הדינוזאורים והפטרוזאורים, שהגיעו לגודלי גוף מרשימים ביותר במהלך היורה והקרטיקון. הפטרוזאורים התפתחו ליצורים המעופפים הגדולים ביותר שחיו אי-פעם. הענק שבהם, קוואצלקואטלוס, היה בעל מוטת כנף של יותר מ-11 מטרים, וכשעמד על הקרקע צווארו ומקורו הארוכים התמרו לגובה ג'ירף בן ימינו. גם התנינאים הגדולים ביותר של הקרטיקון, כמו דיינוסוכוס וסרקוסוכוס, הגיעו לאורך כפול מן התנינים הגדולים ביותר של ימינו והיו טורפי-על בבית גידולם.
בין הדינוזאורים, הזאורופודים אוכלי הצמחים היו בעלי החיים הגדולים ביותר שחיו אי-פעם על היבשה. ייתכן שכמה מהם, כמו ארגנטינוזאורוס ופטגוטיטאן, הגיעו לאורך של למעלה מ-30 מטרים ולמשקל של למעלה מ-70 טון. לצידם חיו במספרים גדולים דינוזאורים ממשפחות ההדרוזאוריים והצרטופסיים, שהיו אוכלי צמחים יעילים ביותר, ונפוצו בעיקר בקרטיקון העליון. הם היו מגוונים מאוד והגדולים שבהם, כגון השאנטונגוזאורוס והטריצרטופס, היו גדולים יותר מפיל סוואנה אפריקני. הם עצמם שימשו מזון לדינוזאורים התרופודים, ביניהם ספינוזאורוס, גיגאנוטוזאורוס וטירנוזאורוס, הטורפים היבשתיים הגדולים ביותר אי-פעם. כיום ידוע כי רבים מן הדינוזאורים התרופודים היו עטויים בנוצות, ששימשו אותם בעיקר לבידוד תרמי. בסוף תור היורה, לפני כ-145 מיליון שנה, התפתחה יכולת תעופה אצל דינוזאורים מנוצים קטנים מקבוצת האביאלאה, שהיו לעופות הראשונים. עופות מעופפים חיו לצד הדינוזאורים והפטרוזאורים לאורך הקרטיקון.
במזוזואיקון גם הופיעו הצבים והלפידוזאוריה, שמהם התפתחו מרבית הזוחלים החיים בימינו. ואולם גם כמה לפידוזאורים הגיעו במזוזאיקון לגדלים המגמדים את הלפידוזאורים של ימינו. ביניהם היו המוסזאורים, אשר לקראת סוף הקרטיקון החליפו את האיכתיוזאורים והפלזיוזאורים כטורפי-העל הימיים, והגיעו לאורך של עד 15 מטרים.