Lịch sử tiến hóa của chuột túi cây bắt đầu tại khu rừng nhiệt đới, Pademelon được coi như là tổ tiên tiến hóa của chuột túi cây (Thylogale spp.).[3] Chúng tiến hóa từ một loài thú có túi được coi là tổ tiên của loài chuột túi tại Úc và New Guinea. Trong thời kỳ Eocene muộn tại lục địa Úc - New Guinea, nước rút dần khỏi các khu rừng nhiệt đới [4] khiến tổ tiên của chúng sống trong những khu vực khô cằn. Sau khi một số thế hệ đã thích nghi với môi trường mới, các Pademelons (Thylogale spp.) phát triển thành chuột túi chân to thích ứng với nguồn thức ăn là thảm thực vật và việc di chuyển tại vùng khô cằn (Petrogale spp.).[3].[5]. Sau đó, các con chuột túi di chuyển đến những vùng phong phú hơn bao gồm cả các vùng rừng nhiệt đới, và tại đây chúng dành nhiều thời gian để leo cây kiếm ăn. Một loài đặc biệt sống ở các mỏm đá là loài chuột túi đá Proserpine (Petrogale Persephone).[3] Trong thời gian cuối Miocen, loài chuột túi cây chân to tiến hóa từ chuột túi chân to hiện nay đã tuyệt chủng, đó là loài chuột túi chi Bohra.[6] Thời kỳ băng hà, các khu rừng nhiệt ở Australia và New Guinea bị thu hẹp khiến các khu rừng bị cô lập, quần thể chuột túi thích ứng với khu vực còn lại và trở lên chậm chạp như loài chuột túi cây hiện nay (Dendrolagus spp.).