Trong quá trình tiến hóa của mình, nhóm Synapsida đã phát triển một lỗ đằng sau mỗi mắt.Archaeothyris, thành viên của nhánh Synapsida cổ nhất đã biết.

Archaeothyris và Clepsydrops là những thành viên cổ nhất đã biết tới của Synapsida[1]. Chúng thuộc về một nhóm gọi là Pelycosauria, sinh sống trong thế Pennsylvania của kỷ Than Đá. Pelycosauria đã từng là nhóm thành công đầu tiên của động vật có màng ối, lan rộng và đa dạng cho đến khi chúng trở thành những động vật trên đất liền to lớn và có ảnh hưởng chi phối vào cuối kỷ Than Đá và đầu kỷ Permi. Hiện tại, chúng được chia thành hai nhánh là Caseasauria và Eupelycosauria. Chúng là động vật to lớn, kềnh càng, bò soài, máu lạnh và có bộ não nhỏ. Trong thời kỳ thịnh vượng của chúng thì chúng là những động vật trên đất liền to lớn nhất, có thể dài tới 3 m (10 ft). Nhiều loài, như Dimetrodon, có "buồm" lớn trên lưng, có lẽ là để trợ giúp quá trình điều chỉnh thân nhiệt. Một số nhóm sinh vật cổ còn sót lại kéo dài cho tới cuối kỷ Permi.

Sphenacodon là một dạng Pelycosauria ăn thịt, có họ hàng gần với Dimetrodon và Therapsida.

Các động vật thuộc bộ Cung thú (Therapsida), là nhóm tiến hóa hơn trong Synapsida, đã xuất hiện trong nửa đầu của kỷ Permi và trở thành nhóm động vật to lớn trên đất liền có ảnh hưởng chi phối vào nửa sau của kỷ này. Chúng đã chi phối thế giới hai lần: một lần trong kỷ Permi và một lần trong đại Tân Sinh, là đại hiện đang diễn ra. Ngoài ra, chúng là các động vật đa dạng và phổ biến nhất của giai đoạn từ giữa đến cuối kỷ Permi, bao gồm các động vật ăn cỏ và ăn thịt, có kích thước từ nhỏ như chuột nhắt (ví dụ Robertia) tới các động vật ăn cỏ đồ sộ với trọng lượng cỡ 1 tấn hoặc hơn thế (ví dụ Moschops). Sau khi đã phát triển thịnh vượng trong nhiều triệu năm, những động vật thành công này đã bị tiêu diệt trong sự kiện tuyệt chủng kỷ Permi-kỷ Trias vào khoảng 250 Ma, sự kiện tuyệt chủng lớn nhất trong Lịch sử Trái Đất, có thể có liên quan tới sự kiện phun trào núi lửa đá trap Siberi.

Chỉ có một số ít loài Therapsida và không có loài Pelycosauria nào sống sót sau sự kiện tuyệt chủng kỷ Permi và chúng lại trở thành những động vật thành công trong điều kiện của kỷ Trias; chúng bao gồm Lystrosaurus và Cynognathus, trong đó chi thứ hai đã xuất hiện muộn hơn vào đầu kỷ Trias. Tuy nhiên, vào lúc bấy giờ kèm theo với chúng là những Archosauria (trước đây gọi là Thecodont; nhưng thuật ngữ này không được sử dụng trong phân loại học hiện đại). Một số trong số này, như Euparkeria, là nhỏ bé và mảnh dẻ, trong khi những loài khác, như Erythrosuchus, lại to lớn như hay to lớn hơn cả các therapsida lớn nhất.

Therapsida trong kỷ Trias bao gồm ba nhóm. Cụ thể, các động vật ăn cỏ mũi khoằm được biết đến như là cận bộ Hai răng chó (Dicynodontia), như Lystrosaurus và các hậu duệ của nó là họ Kannemeyeriidae, chứa một số thành viên đạt tới kích thước lớn (nặng tới 1 tấn hoặc hơn). Các động vật một răng chó (Cynodontia) giống như thú và ăn cỏ, ăn thịt hay ăn côn trùng đã tăng lên, bao gồm cận bộ Một răng chó thật sự (Eucynodontia) từ thời kỳ thuộc tầng Olenëk, mà đại diện ban đầu của nó là các động vật thuộc chi Cynognathus. Cuối cùng, khi đó cũng có các động vật thuộc phân bộ Đầu thú (Therocephalia), nhưng chúng chỉ tồn tại cho tới nửa đầu của kỷ Trias.

Cynognathus là động vật răng chó (Cynodontia) săn mồi to lớn nhất trong kỷ Trias.

Không giống như các động vật hai răng chó (Dicynodontia) vẫn duy trì thân hình to lớn, các động vật một răng chó (Cynodontia) tiến hóa theo kiểu trở thành nhỏ hơn và trông giống như thú nhiều hơn trong thời gian của kỷ Trias. Từ các động vật một răng chó nhỏ và tiến hóa hơn cả, có kích thước chỉ cỡ con chuột chù, đã xuất hiện các tổ tiên đầu tiên của động vật có vú trong tầng Carniche ở cuối kỷ Trias, vào khoảng 220 Ma.

Trong quá trình tiến hóa liên tục từ những động vật cung thú đầu tiên cho tới động vật một răng chó, qua động vật một răng chó thật sự để tới động vật có vú thì xương hàm dưới đã thay thế cho các xương gần kề. Vì thế, hàm dưới dần dần trở thành chỉ là một xương lớn, với một vài xương hàm nhỏ hơn khác di chuyển và biến đổi thành tai trong và cho phép chúng có thính giác tinh vi và phức tạp hơn.

Có thể là do thay đổi của khí hậu, thay đổi của thảm thực vật, cạnh tranh sinh thái, hoặc là tổ hợp của các yếu tố này, phần lớn các động vật một răng chó to lớn còn lại (thuộc về họ Traversodontidae) và các động vật hai răng chó (của họ Kannemeyeriidae) đã biến mất vào thời kỳ thuộc tầng Norian, thậm chí còn diễn ra trước khi có sự kiện tuyệt chủng kỷ Trias-kỷ Jura, sự kiện đã giết chết toàn bộ các thằn lằn ngự trị phi khủng long (nhóm không phân hạng Crurotarsi) to lớn. Vị trí của chúng bị các loại thằn lằn ngự trị dạng hai cung là khủng long chiếm chỗ, và chúng là động vật chi phối của hệ sinh thái đất liền trong phần còn lại của đại Trung Sinh. Các động vật một cung bên còn sót lại trong quãng thời gian còn lại của đại Trung Sinh là nhỏ bé, dao động từ kích cỡ của chuột chù tới tương tự kích thước của lửng (chẳng hạn chi Repenomamus).

Trong kỷ Jura và kỷ Phấn Trắng, các động vật một răng chó-phi thú còn lại là nhỏ bé, chẳng hạn chi Tritylodon. Không có một loài động vật một răng chó nào to lớn hơn một con mèo nhà. Phần lớn động vật một răng chó trong kỷ Jura và kỷ Phấn Trắng là các động vật ăn cỏ, chỉ có một số là động vật ăn thịt. Họ Trithelodontidae lần đầu tiên xuất hiện vào gần cuối kỷ Trias. Chúng là các động vật ăn thịt và tồn tại cho đến giữa kỷ Jura. Họ khác, Tritylodontidae, lần đầu tiên xuất hiện vào cùng khoảng thời gian như Trithelodontidae, nhưng chúng là các động vật ăn cỏ. Nhóm này tuyệt chủng vào thời gian kết thúc của thế Phấn Trắng sớm. Các động vật hai răng chó được cho là đã tuyệt chủng vào gần cuối kỷ Trias, nhưng có một số chứng cứ cho thấy nhóm này vẫn sống sót. Các hóa thạch mới của chúng được tìm thấy trong các lớp đá thuộc kỷ Phấn Trắng của Gondwana. Đây là ví dụ của đơn vị phân loại Lazarus.

Ngày nay, có khoảng 4.500 loài động vật một cung bên còn tồn tại, bao gồm cả các động vật sống trên đất liền như hổ, gấu, sống dưới nước như cá voi, cá heo cũng như biết bay như dơi, trong đó loài động vật có vú lớn nhất đã biết là cá voi xanh.

Quá trình tiến hóa của các động vật một cung bên thành động vật có vú được cho là được kích thích bằng chuyển sang hốc sinh thái ăn đêm, một trong số rất ít hốc sinh thái mà các loài khủng long ngự trị khi đó không có ảnh hưởng chi phối. Để có thể tồn tại ban đêm, các động vật dạng thú (Mammaliaformes) buộc phải gia tăng tốc độ trao đổi chất của chúng để giữ ấm cơ thể. Điều đó có nghĩa là việc tiêu thụ thức ăn (nói chung được cho là côn trùng) diễn ra nhanh hơn. Để làm thuận lợi cho việc tiêu hóa nhanh, các động vật dạng thú đã tiến hóa để có cơ chế nhai và các răng chuyên biệt hóa cho việc nhai. Các chi cũng đã tiến hóa để di chuyển xuống phía dưới của thân thay vì ở hai bên của thân. Điều này cho phép các động vật dạng thú này có thể thay đổi hướng di chuyển nhanh hơn nhằm có thể bắt được các con mồi nhỏ với tốc độ cao hơn. Tuy nhiên, người ta tin rằng các động vật dạng thú này không phải là các động vật săn mồi theo kiểu rượt đuổi mà là các động vật săn mồi đã thích nghi với chiến lược của các động vật săn mồi kiểu vượt trội về chiến thuật[2].