Plesiosauroidea đã tiến hóa từ những dạng tương tự và có trước đó, như Pistosaurus. Một số họ của Plesiosauroidea vẫn còn duy trì một số đặc điểm bề ngoài chung giống nhau và chỉ được phân biệt bằng các đặc điểm cụ thể khác.

Các họ này bao gồm Plesiosauridae, với các loài chưa có nhiều đặc điểm khác biệt sống ở đầu kỷ Jura; Cryptoclididae, (như Cryptoclidus), với một cái cổ dài trung bình, cơ thể hơi mập; Elasmosauridae, với cái cổ dài không linh hoạt, đầu nhỏ; và Cimoliasauridae, một nhóm ít được biết đến của một số loài nhỏ sống trong kỷ Phấn trắng. Theo cách phân loại truyền thống, tất cả Plesiosauroidea có một cái đầu nhỏ, cổ dài, nhưng trong các phân loại gần đây, một nhóm loài ở kỷ Creta có cổ ngắn và đầu lớn, là họ Polycotylidae cũng nằm trong Plesiosauroidea, chứ không phải thuộc về Pliosauroidea như trong phân loại truyền thống. Kích thước của các loài Plesiosauria khác nhau có sự khác biệt đáng kể, với Trinacromerum có chiều dài ước tính khoảng 3 mét nhưng Mauisaurus có thể lên đến 20 mét.