מבחינה פילוגנטית הענף "Dinosauria" מוגדר להיות קבוצת כל בעלי-החיים שהם הצאצאים של האב הקדמון המשותף הצעיר ביותר של טריצרטופס ועופות בתראים.
רוב הדינוזאורים מחולקים לשתי סדרות:
חלוקה זו נעשית לפי צורת אגן הירכיים. בעלי אגן הלטאה הופיעו קודם. אצלם עצם החיק (pubis) פונה קדימה ויוצרת מעין צורת V הפוך עם עצם השת (ichium). אצל בעלי האגן דמוי עוף, עצם החיק צמודה לעצם השת, אך יש לה בליטה שפונה קדימה. בפועל, שמות אלה - זאורסיקיה ואורניתיסקיה - עשויים להטעות, כי העופות התפתחו מהתרופודה, תת-סדרה של דינוזאורים בעלי אגן דמוי לטאה, ולא מדינוזאורים בעלי אגן דמוי עוף.
להלן מיון של קבוצות הדינוזאורים השונות. המיון מכיל את הקבוצות העיקריות, אך לא את כל הקבוצות והמשפחות. במאה ה-21 חלו שינויים בשיטת המיון הטקסונומית וסדרות, תת-סדרות, אינפרא-סדרות, על-משפחות ומשפחות דינוזאורים רבות שינו את מעמדן הטקסונומי. הגישה של מיון באמצעות ענפים הפכה במאה ה-21 לנפוצה יותר.
עידן הדינוזאורים.
עידן המזוזואיקון החל לפני כ-252 מיליון שנה. תחילתו של עידן זה בהכחדת פרם-טריאס – הכחדה המונית גדולה, אשר הביאה לסיומו את העידן הקודם, עידן הפלאוזואיקון (הזמן מסוף עידן החיים הראשון, הפרקמבריון, שנמשך עד לפני 542 מיליון שנה ועד ההיכחדות הגדולה האמורה מעלה). עם תחילת עידן המזוזואיקון, אוכלסה היבשה במינים רבים של זוחלים. אף אחד מאלה לא היה דינוזאור.
שמו של התור הראשון בעידן המזוזואיקון היה תור הטריאס. בזמנו, היה כדור הארץ מקום חם ויבש, באופן כללי. הוא היה יבש בהרבה, יחסית לתור הפרם, שקדם לו. בעלי חיים היו במירוץ להסתגלות לתנאים החדשים. בין קבוצות בעלי החיים הרבות שאכלסו אותה עת את היבשה, בלטו שתיים: סינאפסידה וארכוזאוריה. הראשונים, ששלטו במגוון צורות בעידן הפרם ובתחילת הטריאס, התמעטו עם הזמן, עקב תחרות עם הקבוצה השנייה, הארכוזאוריה. הארכוזאוריה הוכיחה עצמה כקבוצה מאוד מוצלחת, מבחינה אבולוציונית. הם פיתחו מינים רבים, מגוונים בגדלם וצורתם. חלק מהארכוזאורים היותר פרימיטיביים היו גדולים ושוכני מים. קבוצה אחת שלהם, התנינים, שרדה את מבחן הזמן. ארכוזאורים אחרים, דמו לתנינים, אך שכנו על היבשה וצוידו ברגליים ארוכות וחזקות משל קרוביהם המימיים. מהם גם היו קטנים, דו-רגליים. חלק מהאחרונים הפכו לדינוזאורים, שתחילה נבדלו אך מעט (בעיקר במבנה השלד) מאבותיהם. לקראת סוף הטריאס, תפסו הדינוזאורים גומחות אקולוגיות רבות שהיו שייכות לפני כן לסינאפסידה ולארכוזאוריה. סדרת הזאוריסקיה הייתה הראשונה שהתפתחה. התרפודים, הדינוזאורים הטורפים, שמרו תחילה על הצורה הבסיסית שירשו מהארכוזאורים, אך לקראת סוף הטריאס, התפתחו מהם הפרוזאורופודים ארוכי הצוואר, שלא דמו לשום חיה שהתקיימה לפניהם. בשלהי הטריאס התפתחה גם סדרת האורניתיסקיה, ואלה התחילו כאוכלי צמחים דו-רגליים קטנים בעלי מקור בחזית הפה.
התור השני בעידן המזוזואי היה תור היורה. הוא החל לפני כ-201 מיליון שנה, בשינוי אקלים נוסף. כדור הארץ הפך למקום טרופי לח ומיוער. פריחת הדינוזאורים החלה. ביורה הגיעו הזאורופודים לגדלים אליהם לא הגיע אף בעל חיים יבשתי אחר. קבוצת האורניתיסקיה התפתחה והורכבה בעיקר מאוכלי צמחים קטנים וזריזים, לצד דינוזאורים בעלי שריון כגון הסטגוזאורים ואבות האנקילוזאורים. בשלהי היורה שלטו הזאורופודים הענקיים ממשפחות הדיפלודוקיים, קמרזאוריים וברכיוזאוריים, רבים מהם נתגלו בתצורת מוריסון שבארצות הברית. הזאורופודים הגדולים הגיעו לאורכים של 26 עד למעלה מ-30 מטרים ומשקל של עשרות טונות (הדיפלודוקוס הרזה שקל כ-20 טון, הסופרזאורוס הארוך שקל כ-35–40 טון, הברכיוזאורוס הגבוה שקל למעלה מ-40 טון ומשקלו של האפטוזאורוס השמן נע בין 32 ל-73 טון). בנוסף לדינוזאורים, התפתחו היונקים, מסינפסידים קטנים. היונקים עתידים להישאר קטנים ודמויי עכברים, כמעט עד סוף עידן הדינוזאורים. קרוביהם של הדינוזאורים, הפטרוזאוריה, התפתחו גם הם מארכוזאורים קטנים, אך התמחו בתעופה ולא בריצה דו-רגלית. בעלי חיים מעופפים אחרים שהופיעו בעידן היורה, היו העופות. באותה עת, הם לא היו שונים ממינים אחרים של דינוזאורים בעלי נוצות קטנים. הנוצות, שנועדו תחילה לשמירת חום הגוף ולתצוגה (בחיזור, קרבות וכדומה) איפשרו לקבוצה הזאת לגלוש באוויר. זוחלים רבים, שלא היו דינוזאורים, אכלסו את הימים. רובם המכריע נכחד בסוף עידן המזוזואיקון. צבי הים, שהיו אחת מקבוצות הזוחלים האלה, שרדו.
התור השלישי במזוזואיקון היה תור הקרטיקון. תחילתו לפני כ-145 מיליון שנה והוא היה הארוך ביותר, אם כי גם האחרון בעידני שלטון הדינוזאורים. אפיונו היה אקלים חם ויבש למחצה, דומה יותר לאקלים של ימינו מאשר לזה של עידן היורה. יערות דלילים, ערבות שיחים וחורש שלטו בנוף. כמו כן, היו מדבריות רבים. אמריקה הצפונית נחלקה לשני חצאים על ידי הים הפנימי המערבי ובחופים שגשגו תנינאי ענק דוגמת הדיינוסוכוס. האורניתיסקיה הגיעה בתקופה זו לשיא גודלה ותפארתה. בשונה מהזאורופודים, ששלטו בין הצמחוניים של תקופת היורה, הדינוזאורים באורניתיסקיה היו מסוגלים ללעוס את מזונם ולהפיק ערך תזונתי גבוה יותר מתוך היערות המדוללים של הקרטיקון. הדינוזאורים מהאורניתיסקיה מעולם לא הגיעו למערך הגדלים של הזאורופודים, אך הפכו למגוונים בהרבה. לרבים מהם היו קרניים ובליטות גרמיות אחרות על ראשם. עם זאת, בתקופה זו חיו הדינוזאורים הגדולים ביותר - זאורופודים מהענף טיטאנוזאוריה שהגיעו לאורכים של למעלה מ-30 מטר ומשקל של 50 עד 100 טון. בו זמנית, החלו להתפתח תרופודים (דינוזאורים טורפים) שהיו אינטליגנטיים במובהק מהאחרים. נטען כי לולא נכחדו, יכול היה סוג יחיד שלהם (טרודון) להתפתח לדמוי אנוש. התאוריה שהוצגה בשנת 1982 עוררה לעג. בשלהי הקרטיקון שלטו בפאונה של אמריקה הצפונית ומזרח אסיה ההדרוזאוריים והצרטופסים. בגיל הקמפן הגיעו קבוצות אלה לשיא מבחינת מגוון המינים. בגיל האחרון של הקרטיקון, המאסטריכט חלה ירידה גדולה במגוון מיני הדינוזאורים, אך בתקופה זו חיו כמה מבעלי החיים המרשימים ביותר, בהם הטירנוזאורוס רקס האימתני והענק, והטריצרטופס החזק שהיה הדינוזאור הנפוץ ביותר באמריקה הצפונית עד להכחדת קרטיקון-פלאוגן בה נכחדו רוב הדינוזאורים.
בסופו של הקרטיקון נשמדו רוב בעלי החיים והצמחים שהיו קיימים. מהדינוזאורים (כולל העופות), היונקים והארכוזאורים, שרדו מינים בודדים. אז החל עידן הקנוזואיקון - "עידן החיים החדשים" - הוא עידן היונקים.
הדינוזאורים ומוצא העופות.
אחת התכונות המיוחדות בתרופודים היא שחלק מהם פיתחו הרבה סוגי נוצות מעניינים. לנוצות אלו היו הרבה שימושים כמו בידוד, קישוט ואפילו תעופה. לכל תרופודים היו הרבה מיני נוצות על הגוף ששימשו לשימושים רבים. רוב התרופודים היו מכוסים בכמות כלשהי של נוצות. להתרופודים הגדולים יותר היו פחות נוצות מפני שהם לא הצטרכו בידוד בשל גודל גופם אשר שמר על חום בעצמו. תכונה זו נמצאת גם ביונקים גדולים בני ימינו, למשל פילים, אשר חוסרים בשיער ברוב גופם. לעומת זאת תרופודים גדולים אשר חיו באזורים קרים יותר, היו מכוסים בנוצות רבות יותר כמו היוטירנוס, קרוב המשפחה של הטירנוזאורוס רקס שהיה מכוסה בנוצות פרימוטיביות דמויות פלומה. בתרופודים הקטנים יותר נוצות כיסו את רוב הגוף. נוצותיהם שמרו על חום גופם ושימשו לקישוט. הנוצות של דינוזאורים היו צבעוניות וססגוניות. מספר מאובנים נמצאו בסין אשר אפשרו לחוקרים לשחזר את צבעם של הדינוזאורים.
דינוזאורים קטנים ומנוצים מהקבוצה מנירפטורה הובילו לעופות בני ימינו אשר התפתחו מדינוזאורים קטנים שטיפסו על עצים. עופות לא מאוד מיוחדים בשל יכולתם לעוף, תעופה התפתחה בדינוזאורים הרבה פעמים. לא תמיד הדינוזאורים השתמשו בנוצותיהם ליצירת כנפיים, דינוזאור אחד בשם יי צ'י השתמש בקרום עורו דמוי כנף ועף בעזרתו. תרופודים רבים היו דומים לציפורים לעומת מראם בסרטים.
הכחדת הדינוזאורים.
הדינוזאורים חיו בעולם במשך כ-177 מיליון שנה (מ-243 מיליון שנה לפני זמננו ועד כ-66 מיליון שנה לפני זמננו) ונפוצו בכל היבשות שהיו קיימות באותה עת. מכאן שהם היו אחת הקבוצות המוצלחות ביותר על פני האדמה. עובדה העושה את היעלמותם בהכחדת קרטיקון-פלאוגן למסתורית.
הסיבות להכחדת הדינוזאורים.
בעבר, כאשר הידע עליהם היה דל יותר, שיערו כי הכחדת הדינוזאורים נבעה מה"פרימיטיביות" שלהם, חשבו כי הם לא היו "מפותחים" או "מותאמים" מספיק כדי לשרוד. אף טענו שהיונקים הראשונים (שהיו קטנים ודמויי חולדה) אכלו את ביצי הדינוזאורים כולן. כיום שוללים תאוריות אלו ומחפשים סיבות אחרות.
השערות שונות הוצעו לגבי נסיבות הכחדתם של הדינוזאורים. הרווחת שבהן, אשר הועלתה בשנת 1980 על ידי הפיזיקאי לואיס אלוורז ובנו הגאולוג וולטר אלוורז, היא: פגיעת מטאוריט ענק, ככל הנראה שבר של כוכב שביט, בחצי האי יוקטן שבמקסיקו לפני כ-66 מיליון שנה, בסוף תקופת הקרטיקון ותחילת הפלאוגן. הפגיעה גרמה לגל עצום של הדף, חום ואש, ואחריו להעלאת ענן אבק עצום לאוויר, ענן שכיסה את כדור הארץ וחסם את קרני השמש במשך חודשים. להשערה זו תימוכין בגילוי המכתש בקרבת חצי האי יוקטן בשנת 1991 ובמציאת מתכות נדירות הנפוצות באסטרואידים, כגון אירידיום, בשכבות גאולוגיות המתוארכות כסמוך למועד היעלמותם של הדינוזאורים (גבול K-Pg). במחקר של אוניברסיטת אדינבורו שפורסם ב-2014 הגיעו החוקרים למסקנה שהאסטרואיד הוא סיבת ההכחדה "כמעט בוודאות".