在恐龍時代（大約2億到6500萬年前），大量食肉和草食動物物種進化來填補之前幾次大規模滅絕事件所創造的可用生態位。但總體而言，恐龍最早出現的時間要早得多，在中三疊世時期（約2.4億年前）。當時，有羽毛的恐龍的一個子集很快出現在化石記錄中。有羽毛的恐龍通常屬於獸腳類恐龍的一個亞類，其特徵是中空的骨骼和三趾的四肢。
許多獸腳類物種在三疊紀末的滅絕中倖存下來，然後在侏羅紀進化為佔優勢的捕食者。關於諸如迅猛龍或霸王龍等著名的獸腳類動物是否也有羽毛，存在著許多爭議，事實上，對於某些恐龍類進化出羽毛的原因，古生物學家普遍存在許多不確定性。也許它們提供了極好的隔熱效能來幫助調節體溫。也許它們提供了有利的偽裝來躲避捕食者，或者展示羽毛來吸引配偶。也許羽毛對沒有羽毛的捕食者來說味道不好。也許重要的是，羽毛相對於裸露鱗片狀面板的最可能優勢可能對所有種類的恐龍都有利。
事實上，在分析最古老的羽毛類鳥類恐龍化石（如1.6億年前的始祖鳥）的骨骼和假定的肌肉結構時，許多古生物學家並不確定這些動物是否真的會飛。羽毛有很多功能。
儘管如此，在較年輕的化石記錄中發現了明顯會飛的有羽毛恐龍，這表明鳥類的亞群在白堊紀發生了巨大的變化，形成了有助於它們更成功地飛行、捕獵和繁殖的結構和特徵，並利用他們比居住在陸地上的祖先更高的流動性。也許是極端的機動性幫助它們成為了在白堊紀末災難性的大規模滅絕中倖存下來的唯一古老恐龍世系。從那時起，鳥類繼續進化成多種多樣的物種，是地球上最聰明的動物之一。
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