I dinosauri sono uniti da almeno 21 tratti nei loro crani e scheletri. Questi caratteri comuni (chiamati 'sinapomorfi') sono la ragione per cui i paleontologi sono sicuri che i dinosauri abbiano avuto un'origine comune.
Tuttavia, quando apparvero dei fossili di dinosauri definitivi (all'inizio del Triassico superiore), il gruppo si era già diviso in due grandi ordini, la Saurischia e l'Ornitischia. I Saurischia conservano la disposizione ancestrale dell'anca ereditata dai loro antenati arcosauri, e gli Ornithischia hanno una struttura dell'anca modificata.
A. Eoraptor, un precoce saurischiano, B Lesotosauro, un primitivo ornitischiano,
C A bacino saurischiano (Staurikosaurus) D Bacino del lesotosauro
Classificazione dei dinosauri
Di seguito è riportato un elenco semplificato dei gruppi di dinosauri in base alla loro evoluzione, è organizzato in base all'elenco delle specie di dinosauri mesozoici fornito da Holtz (2007). I gruppi con un pugnale (†) accanto a loro non hanno membri viventi.
· Saurischia ("lizard-hipped"; include Theropoda e Sauropodomorpha)
· Theropoda (tutti bipedi; la maggior parte erano carnivori)
· †Herrerasauria (carnivori bipedi precoci)
· †Coelophysoidea (piccoli teropodi precoci; comprende la Coelophysis e i suoi parenti stretti)
· †Dilophosauridae (teropodi crestato precocemente e carnivori)
· †Ceratosauria (generalmente cornuti, i carnivori dominanti del Cretaceo meridionale)
· Tetanurae (che significa "code rigide"; include la maggior parte dei teropodi)
· †Megalosauroidea (gruppo precoce di grandi carnivori, compresi gli spinosauridi semiacquatici)
· †Carnosauria (Allosauro e parenti stretti, come Carcharodontosauro)
· Coelurosauria (teropodi piumati, con una gamma di dimensioni del corpo e nicchie)
· †Compsognathidae (comuni celurosauri primitivi con gambe più piccole)
· †Tyrannosauridae (Tirannosauro e i suoi parenti stretti; aveva le gambe più piccole)
· †Ornitomimosauria (che significa "struzzo-mimica"; per lo più senza denti; carnivori a possibili erbivori)
· †Alvarezsauroidea (piccoli insettivori con braccia corte che avevano ciascuno un grande artiglio)
· Maniraptora (che significa "strappatori di mani"; aveva braccia e dita lunghe e sottili)
· †Terizinosauria (erbivori bipedi con grandi artigli e piccole teste)
· †Oviraptorosauria (per lo più sdentata; la loro dieta e il loro stile di vita sono incerti)
· †Archaeopterygidae (piccoli teropodi alati o uccelli primitivi)
· †Deinonimiacosiauria (di piccole e medie dimensioni, simile a quella degli uccelli, con un caratteristico artiglio per le dita dei piedi).
· Avialae (uccelli moderni e i loro parenti estinti)
· †Scansoriopterygidae (piccoli avialani primitivi con il terzo dito lungo)
· †Omnivoropterygidae (avialani grandi e primitivi a coda corta)
· †Confuciusornithidae (piccoli avialani senza denti)
· †Enantiornithes (primitivi aviatori volanti che vivevano sugli alberi)
· Euornithes (uccelli volanti avanzati)
· †Yanornithiformes (uccelli cinesi del Cretaceo dentati)
· †Hesperornithes (uccelli subacquei specializzati)
· Aves (uccelli moderni, beccati e i loro parenti estinti)
· †Sauropodomorpha (erbivori con testa piccola, collo lungo, coda lunga)
· †Guaibasauridae (piccoli, primitivi, onnivori sauropodomorfi)
· †Plateosauridae (primitivi, bipedi "prosauropodi")
· †Riojasauridae (piccoli sauropodomorfi primitivi)
· †Massospondylidae (piccoli sauropodomorfi primitivi)
· †Sauropoda (molto grande e pesante, di solito oltre 15 m di lunghezza; quadrupede)
· †Vulcanodontidae (sauropodi primitivi con braccia e gambe simili a pilastri)
· †Eusauropoda ("veri sauropodi")
· †Cetiosauridae ("rettili balena")
· †Turiasauria (gruppo europeo dei sauropodi del Giurassico e del Cretaceo)
· †Neosauropoda ("nuovi sauropodi")
· †Diplodocoidea (cranio e coda allungati; denti tipicamente stretti e a matita)
· †Macronaria (teschi squadrati; denti a cucchiaio o a matita)
· †Brachiosauridae (macronari dal collo lungo e dal braccio lungo)
· †Titanosauria (diversificata; tozza, con fianchi larghi; più comune nel tardo Cretaceo dei continenti meridionali)
· †Ornitischia ("birdhipped"; diversi erbivori bipedi e quadrupedi)
· †Eterodontosauridi (piccoli ornitopodi basali erbivori /omnivori con denti canini prominenti)
· †Tireofori (dinosauri corazzati; per lo più quadrupedi)
· †Accilosauria (scivoli come armatura primaria; alcuni avevano la coda a bastone)
· †Stegosauria (punte e piastre come armatura primaria)
· †Neornithischia ("nuovi ornitischi")
· †Ornitopoda (varie dimensioni; bipedi e quadrupedi; si è evoluto un metodo di masticazione con crani flessibili e molti denti)
· †Marginocefalia (Avevano delle crescite simili a cupole sul cranio fatto di ossa)
· †Pachycephalosauria (bipede con crescita a cupola o nodosa sul cranio)
· †Ceratopsia (quadrupedi con fronzoli; molti avevano anche le corna)