Hồ sơ hóa thạch rắn là khá nghèo nàn do các bộ xương rắn thông thường là nhỏ và dễ gãy, làm cho sự hóa thạch là không phổ biến. Các hóa thạch có thể được nhận dạng như là rắn (mặc dù thường vẫn duy trì các chi sau) lần đầu tiên xuất hiện trong hồ sơ hóa thạch trong kỷ Creta.[9] Các hóa thạch rắn sớm nhất đã biết được tìm thấy tại các di chỉ trong khu vực Utah và Algérie, đại diện tương ứng cho các chi Coniophis và Lapparentophis. Các hóa thạch này được cho là có niên đại tương ứng với tầng Alba hay tầng Cenomanum (dù không chắc chắn lắm) vào cuối kỷ Creta, khoảng 112 tới 94 Ma. Tuy nhiên, niên đại thậm chí còn sớm hơn đã từng được đề xuất cho một trong các di chỉ tại Algérie, có thể cổ tới mức tương ứng với tầng Apt, 125 tới 112 Ma.[10]

Dựa theo giải phẫu học so sánh, người ta có sự đồng thuận cho rằng rắn là hậu duệ của một nhóm thằn lằn.[11]:11[12] Người ta cũng cho rằng các loài trăn trong các họ Pythonidae và Boidae là các nhóm nguyên thủy nhất trong số các loài rắn hiện đại—chúng có các chi sau dạng vết tích: các ngón chân nhỏ xíu có vuốt gọi là các cựa hậu môn, được chúng sử dụng để bấu víu trong khi giao phối.[6]:11[13] Các họ Leptotyphlopidae và Typhlopidae cũng có các dấu tích của đai chậu, đôi khi xuất hiện như là các chỗ lồi ra dạng chất sừng khi nhìn thấy.

Tất cả các loài rắn hiện đã biết đều không có chi trước. Điều này là do sự tiến triển của các gen Hox, kiểm soát sự tạo hình chi. Cột sống của tổ tiên chung của các loài rắn, giống như phần lớn các loài động vật bốn chân khác, có các chuyên biệt hóa khu vực bao gồm các đốt sống cổ, ngực, thắt lưng, cùng (chậu) và đuôi. Ngay từ ban đầu trong tiến hóa của rắn thì sự biểu lộ các gen Hox trong phần cột sống chịu trách nhiệm cho sự phát triển đốt sống ngực đã chiếm ưu thế. Kết quả là tất cả các đốt sống phía trước các chồi chi sau (khi có mặt) đều có cùng một nhận dạng giống như kiểu đốt sống ngực (ngoại trừ từ đốt sống đội, đốt sống trục và các đốt sống cổ 1–3). Nói cách khác, phần lớn bộ xương của rắn có thể coi là một cái ngực kéo cực kỳ dài. Các xương sườn chỉ được tìm thấy trên các đốt sống ngực. Các đốt sống cổ, thắt lưng và khung chậu bị giảm đi rất nhiều về lượng (chỉ có 2–10 đốt sống thắt lưng và chậu), trong khi chỉ có các dấu tích ngắn của các đốt sống đuôi. Tuy nhiên, đuôi vẫn đủ dài để có công dụng quan trọng ở nhiều loài, và nó bị biến đổi ở một số loài sống dưới nước hay leo trèo trên cây.

Các loài rắn hiện đại đã đa dạng hóa mạnh trong thế Paleocen. Điều này diễn ra cùng với phân tỏa thích nghi của động vật có vú, ngay sau sự kiện tuyệt chủng của khủng long phi chim. Các loài rắn thuộc họ Colubridae, một trong các nhóm rắn phổ biến nhất, dã trở nên cực kỳ đa dạng do thức ăn của chúng là động vật gặm nhấm, một nhóm động vật có vú đặc biệt thành công.

Nguồn gốc

Nguồn gốc của rắn vẫn là một vấn đề chưa được giải quyết. Có hai giả thuyết chính cạnh tranh lẫn nhau về nguồn gốc của rắn.

Có chứng cứ hóa thạch cho thấy rắn có thể đã tiến hóa từ thằn lằn sống kiểu đào bới, chẳng hạn như Varanidae (hoặc một nhóm tương tự) trong kỷ Creta.[14] Một loài rắn hóa thạch cổ, Najash rionegrina, là một động vật đào bới có hai chân với xương cùng, và sống hoàn toàn trên cạn.[15] Một loài còn sinh tồn tương tự như tổ tiên giả định này là kỳ đà không tai (Lanthanotus borneensis) ở Borneo (mặc dù nó là động vật bán thủy sinh).[16] Các loài sống ngầm dưới lòng đất đã tiến hóa để có một cơ thể thuôn dạng khí động học phục vụ cho việc đào bới, và cuối cùng đã mất đi các chi.[16] Theo giả thuyết này, các đặc trưng như độ trong suốt, các mí mắt hợp nhất (vảy mắt) và sự mất đi các tai ngoài đã tiến hóa để đương đầu với các khó khăn trong cuộc sống đào bới, như các giác mạc bị xây sát và chất bẩn lọt vào tai.[14][16] Một số loài rắn nguyên thủy còn có các chi sau, nhưng các xương chậu của chúng không có kết nối trực tiếp tới cột sống. Chúng bao gồm các loài hóa thạch như Haasiophis, Pachyrhachis và Eupodophis, đều có niên đại hơi cổ hơn Najash.[13]

Một giả thuyết khác, dựa vào hình thái học, cho rằng tổ tiên của rắn là có họ hàng với thương long (Mosasauridae)—một nhóm bò sát thủy sinh đã tuyệt chủng, từng sinh sống trong kỷ Creta—tới lượt chúng, thương long lại được coi là có nguồn gốc từ thằn lằn dạng kỳ đà (Varanoidea).[12] Theo giả thuyết này thì các mí mắt trong suốt và hợp nhất của rắn được cho là đã tiến hóa để chống lại các điều kiện biển cả (dịch giác mạc bị mất qua thẩm thấu), và các tai ngoài bị mất do nó là vô dụng trong môi trường nước. Điều này cuối cùng dẫn tới con vật tương tự như rắn biển ngày nay. Vào cuối kỷ Creta, rắn đã tái chiếm đất liền và tiếp tục đa dạng hóa thành rắn ngày nay. Các dấu tích rắn hóa thạch được biết đến trong các trầm tích biển thuộc thời kỳ đầu của giai đoạn Creta muộn là phù hợp với giả thuyết này; đặc biệt là chúng đều cổ hơn so với loài Najash rionegrina sống trên cạn. Cấu trúc hộp sọ tương tự, các chi tiêu giảm hay không có, và các đặc trưng giải phẫu khác được tìm thấy ở cả thương long lẫn rắn dẫn tới mối tương quan miêu tả theo nhánh rõ ràng, mặc dù một vài đặc trưng này cũng được chia sẻ với thằn lằn dạng kỳ đà.

Các nghiên cứu di truyền gần đây đã chỉ ra rằng rắn không có quan hệ họ hàng gần với kỳ đà như người ta đã từng một thời tin tưởng—và vì thế cũng không gần với thương long, tổ tiên được đề xuất trong kịch bản thủy sinh trong quá trình tiến hóa của chúng. Tuy nhiên, có nhiều chứng cứ liên kết thương long với rắn hơn là với kỳ đà. Các dấu tích phân mảnh tìm thấy trong thời kỳ từ kỷ Jura và Creta sớm chỉ ra các hồ sơ hóa thạch sâu hơn cho các nhóm này, và điều này có thể sẽ bác bỏ cả hai giả thuyết vừa đề cập.