公众常常将史前的爬行动物一股脑地称作“恐龙”，这种混淆也代表了19世纪生物学界的看法，即认为这些新发现的史前生物只是一些生态位类似的无关物种。
但经历了20世纪70年代的“恐龙文艺复兴”之后，我们意识到从三叠纪晚期到白垩纪末期，在陆地生态系统中占据主导地位的爬行动物大都源自同一个祖先，它们被纳入一个“恐龙总目”，其中又分为“蜥臀目”和“鸟臀目”两个目，顾名思义，这两个名称都来自恐龙化石的骨盆结构。
骨盆与下肢的连接方式是恐龙区分于其他“爬行动物”的关键特征：相比其他爬行动物向两侧伸展四肢的匍匐姿态，恐龙有一个弯曲的股骨头，后肢直接向下伸出。这样的结构可以支持更大的体重，并且便于快速奔跑，在脊椎动物身上独立进化出两次，另一次发生在哺乳动物身上。
在此基础上，蜥臀目的骨盆较接近恐龙的始祖，它们最初是一些小型的二足食肉恐龙，但是在三叠纪晚期迅速分化为两个亚目，即蜥脚亚目和兽脚亚目。前者适应了侏罗纪繁盛的陆地植被，发展为大型的长颈四足素食恐龙，尤其包括了一些地球生物史上最庞大的陆生动物，比如公众熟知的梁龙、腕龙、马门溪龙，从头到尾可达20米以上。
其中最巨大的易碎双腔龙体长可能在40米到60米之间，体重120吨以上，几乎逼近了今日的蓝鲸，相比之下长颈鹿的身高不超过6米。巨大的体形也限制了它们的多样性，蜥脚亚目恐龙大都看上去很像。
兽脚亚目则延续了二足食肉恐龙的生活方式，从侏罗纪早期开始称霸了陆地生态系统的肉食顶层，演化出许多巨型食肉恐龙，比如暴龙、食肉牛龙、棘龙、异特龙；但从白垩纪开始，也有相当一部分兽脚恐龙向着小型化发展，成为食虫甚至食草的杂食恐龙。
这使得兽脚亚目相当多样化，在侏罗纪早期分化为角鼻龙下目和坚尾龙类两个分支，前者包括了与角鼻龙接近而与鸟类疏远的类群，它们的颅骨比较厚实，一些物种还有凸起的骨质头饰，但目前还没有一致的鉴别标准。
坚尾龙类演化得更加成功，它们的尾部肌肉缩短，避免了奔跑时左右摇摆，有利于平衡方向，同时颅骨有很多空腔，减轻了重量。棘龙总科是其中一个较基底的类群，更主要的演化支包括了肉食龙下目和虚骨龙类两个，前者曾用来收罗所有的大中型食肉恐龙，但如今只包括了异特龙总科和少数近缘的分支。
虚骨龙类演化支则是恐龙演化的辉煌顶点，其中既包括了暴龙总科的庞然大物，也包括了恐爪龙下目和似鸟龙下目这样小而敏捷的物种，它们以骨骼中充满空气和体表覆盖羽毛著称，恐爪龙下目还在白垩纪演化成了现代鸟类的祖先，始祖鸟就在这一个分支当中——正是由于这个原因，我们必须说“恐龙没有灭绝”。
相比蜥臀目恐龙的庞大体形和凶猛性格，鸟臀目恐龙以中等体形的素食者为主，它们在进食策略和防御策略的双重压力下展现出了相当高的多样性，其中又分为装甲亚目和角足亚目两个演化支。
装甲亚目的恐龙在体表被覆了厚重的骨质化鳞片，甚至特化成巨大的刺和瘤，因此又分为剑龙下目和甲龙下目两个主要的类群，前者以巨大的骨板和骨刺给公众留下了深刻的印象，频频出现在大众传媒里，但在侏罗纪末期就趋于灭绝；后者则装备了比鳄鱼还要厚重的骨质化鳞片，并在头部和尾部凝结了巨大的骨瘤，一直繁盛到白垩纪末期。
角足亚目的恐龙也分为两个鲜明的演化支，一支是像鸭嘴龙和禽龙这样的二足食草恐龙，极度适应有花植物繁盛的白垩纪素食生活，称为鸟脚下目；另一支在头部生长出了许多附属结构，称为头饰龙类。
鸟脚下目的恐龙是中生代最成功的素食者，除了发达的高冠齿，还拥有最复杂的咀嚼方式，这都类似于现代的牛；不少品种还有发达的头饰，功能类似今天的牛角或鹿角，总的来说，鸟脚下目可谓恐龙时代的偶蹄目。
头饰龙类则继续分化为厚头龙下目和角龙下目两个演化支，前者也是二足食草恐龙，但不如鸟脚下目那样适应素食，狭小的牙齿更可能适应水果、嫩叶甚至昆虫。它们的颅骨标志性地加厚，犹如戴了头盔，这曾被认为用于北美麝牛那样的头对头碰撞，但现在认为是用于侧面攻击。
角龙下目则集中了外观上最“威风”的素食者。它们在侏罗纪晚期是矮小的二足食草恐龙，如鹦鹉嘴龙。但在白垩纪发展为大型的四足食草恐龙，最显著的特征是脑后巨大的头盾，这个结构最初可能用来防止颈部被掠食者攻击，但后来更可能发展为炫耀性的第二性征。最著名的三角龙、五角龙和开角龙等物种拥有了陆生脊椎动物中最巨大的脑袋。
总的来说，恐龙总目是一个极其繁盛庞杂的类群，大约存在过3400个属，其中只有1800多个属留下了化石，又只有75%曾被发掘，其余绝大多数都被历史的洪流冲走了，截至2008年只确认了500多个属、1047个物种，作为人类的我们只能在争议中轻轻一瞥那曾经无比繁盛的霸主了。
