Hylonomus là bò sát cổ nhất đã biết, và chúng dài khoảng 20–30 cm (8-12 inch). Westlothiana đã được cho là bò sát cổ nhất, nhưng ngày nay người ta cho rằng chúng có quan hệ họ hàng gần gũi với động vật lưỡng cư hơn là so với động vật có màng ối. Petrolacosaurus và Mesosaurus là các ví dụ khác. Những động vật đầu tiên được coi là "bò sát" thực thụ (Sauropsida) được phân loại như là Anapsida (phân lớp không cung), chúng có hộp sọ liền khối với các hốc chỉ dành cho mũi, mắt, tủy sống, v.v. Các loài rùa được coi là những động vật còn sống sót thuộc về phân lớp Anapsida, do chúng chia sẻ cấu trúc hộp sọ như thế; nhưng điểm này sau đó đã gây ra tranh cãi, với một số người cho rằng rùa đã trở lại với trạng thái nguyên thủy này nhằm hoàn thiện áo giáp của chúng. Cả hai luồng ý kiến đều có các chứng cứ hỗ trợ đủ mạnh, và mâu thuẫn này vẫn chưa được giải quyết.

Chỉ một thời gian ngắn sau khi có những bò sát thực sự đầu tiên, hai nhánh đã được tách ra, một nhánh dẫn tới Anapsida, chúng đã không phát triển các hốc khác trên hộp sọ của mình. Nhánh kia là Diapsida (phân lớp Hai cung), chúng có được một cặp lỗ trên hộp sọ của mình ngay phía sau mắt, cùng với cặp lỗ thứ hai nằm cao hơn phía trên hộp sọ. Diapsida lại chia nhánh một lần nữa thành hai dòng trực hệ, là cận lớp Lepidosauromorpha (các đại diện ngày nay còn lại là rắn, thằn lằn và thằn lằn gai lưng (tuatara), cũng như chứa cả các loài bò sát biển (đang tranh cãi) đã tuyệt chủng trong đại Trung Sinh) và cận lớp Archosauromorpha (các đại diện ngày nay còn tồn tại chỉ là cá sấu và chim, nhưng đã từng chứa cả thằn lằn có cánh (bộ Pterosauria) và khủng long (bộ Dinosauria)).

Những động vật có màng ối với hộp sọ liền khối đầu tiên cũng sinh ra một nhánh khác, đó là Synapsida (lớp Một cung hay lớp Mặt thú). Synapsida đã phát triển một cặp lỗ trong hộp sộ của chúng ngay phía sau mắt (tương tự như ở Diapsida), được sử dụng vừa là để làm nhẹ hộp sọ vừa để tăng không gian cho các cơ quai hàm. Synapsida cuối cùng tiến hóa thành động vật có vú, và thông thường được coi là các loài bò sát trông tương tự động vật có vú, mặc dù chúng không phải là các thành viên thực sự của lớp Sauropsida.

Sự tuyệt chủng của khủng long

Cuối kỷ Creta, nhiều loài động vật bò sát bị tuyệt chủng, trong đó có khủng long. Chỉ một số loài có kích thước nhỏ sống sót như rắn, rùa biển... và một số dạng sau này tiến hóa thành chim và thú. Sự kết thúc của "Thời đại bò sát" mở ra "Thời đại của Thú". Mặc dù vậy, bò sát vẫn là một nhóm động vật chính trong hệ sinh thái, đặc biệt là ở vùng nhiệt đới. Có khoảng 8.200 loài bò sát đang tồn tại (trong số đó gần một nửa là rắn), trong khi thú có vú có 5.400 loài (trong số đó hai phần ba là các loài Gặm nhấm và các loài dơi).

Nhóm phân loại hiện nay có số lượng cao nhất có nguồn gốc từ bò sát là các loài chim với trên 9.000 loài.