Sauropterygia xuất hiện sớm nhất vào khoảng 245 triệu năm trước (Ma), thời kỳ đầu của kỷ Trias: các loài sauropterygia đầu tiên nằm chính xác trong mốc địa tầng đới Spathian của tầng Olenek ở Nam Trung Quốc.[1] Những loài sớm nhất khá nhỏ (dài khoảng 60 cm), chúng là những thằn lằn sống lưỡng cư chân dài (Pachypleurosauria), nhưng chúng nhanh chóng phát triển thành những cơ thể dài vài mét và sống ở vùng nước nông (Nothosauroidea). Sự kiện tuyệt chủng kỷ Trias-kỷ Jura đã xóa sổ gần như tất cả chúng ngoại trừ Plesiosauria. Trong Jura sớm, chúng đã đa dạng hóa nhanh chóng thành hai bộ phận lớn là Plesiosauroidea cổ dài đầu nhỏ và Pliosauroidea cổ ngắn đầu to. Ban đầu, người ta nghĩ rằng plesiosaurs và pliosaurs là hai siêu họ riêng biệt và tiến hoá theo những con đường riêng biệt nhưng hiện nay thì người ta lại cho rằng điều đó dường như chỉ là những chuẩn dạng đơn giản ở chỗ cả hai kiểu đã phát triển một số lần, với một số Pliosauroidea đã phát triển từ tổ tiên thằn lằn cổ rắn, và ngược lại.