较一致的看法是鸟类的直接祖先是一种小型恐龙的意见，认为由假鳄类演化为恐龙中的虚骨龙类，然后再进一步演化为始祖鸟，而演变为新鸟类。
以前认为古鸟亚纲的始祖鸟是侏罗纪发现的鸟类，2004年时被认为是一种恐龙。从已发现的标本可以清楚地看到始祖鸟具有羽毛；后足对趾型；腕掌骨和跗跖骨愈合；骨盘结构、锁骨、喙部、下颌关节方式以及眼等许多特征与鸟类相似。始祖鸟具槽生齿，有具尾椎的长尾；脊椎双凹型；前翅掌指骨游离并具爪；脑、胸骨、肋骨及后肢等特征又与爬行类接近。所以始祖鸟被认为是爬行动物与鸟类之间的中间环节。
除始祖鸟外的其他鸟类全属于新鸟亚纲，其身体结构与的鸟类更为接近，其中白垩纪的一些口中具槽生齿的鸟类，构成齿颌超目，包括黄昏鸟目及鱼鸟目。新鸟亚纲其余成员的口中均不具有真正的牙齿。从白垩纪开始出现，在始新世开始繁荣，共34目。近年来在白垩纪地层中又发现一些已绝灭的不具牙齿的鸟类化石，但大都比较零散。这些新颌鸟类有4个目。近鸡鸟目发现于加拿大艾伯塔省晚白垩世地层，1940年被定名为近鸡鸟，1971年又报道了第二个种，这一目与鸡形目、雁形目关系较密切。戈壁鸟目发现于蒙古戈壁省的晚白垩世地层，1974年定名为戈壁鸟，推测可能是平胸类的早期代表。1981年根据在南美晚白垩世地层采集的部分鸟化石，建立了反鸟属，并认为它在进化及分类上应处于齿颌超目与古鸟亚纲之间，建立了反鸟目。1982年在蒙古又发现一个新的早白垩世鸟化石——傍鸟，并建立新的傍鸟目，指出它有可能是最早的突胸鸟类，和鸮形目较接近。1984年在中华人民共和国甘肃省玉门市附近早白垩世地层中发现了鸟类化石。
第三纪早期的化石记录较少，始新世和渐新世突胸类有较大发展，平胸鸟只有鸵鸟目和隆鸟目开始出现，已发现近40个已绝灭科的化石。第四纪是鸟类极繁盛的时期。大多数现生种都来源于这个时期。平胸类分布于南半球，但是隆鸟类和鸵鸟类的代表在始新世见于中东及欧洲。现生鸵鸟属的化石曾发现于摩尔达维亚的中新统和广泛发现于中华人民共和国、蒙古、欧洲和非洲的上新统和更新统。现生种的化石则见于蒙古、阿拉伯和阿尔及利亚的更新统。不过自达尔文的物种起源，100年后中国科学家季强在1997年发现了3块化石，其中尾羽鸟化石最具说服力，在1998年开美国会议，最终以压倒性得以说鸟是由恐龙进化来的，为鸟类起源得以最终结束。
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