在三叠纪之后，恐龙的演化随着植被和大陆位置的变迁而发生了变化。在晚三叠纪到早侏罗纪期间，各大陆板块汇聚形成了一个名为盘古大陆的超级大陆。这一时期的恐龙群体主要由肉食性的腔骨龙超科和草食性的原蜥脚下目组成。晚三叠纪时，裸子植物，尤其是松柏目，开始繁盛，成为恐龙可能的食物来源之一。由于原蜥脚类恐龙的颚部只能撕咬树叶，无法进行复杂的嘴部动作，因此它们需要借助其他方式来磨碎食物。恐龙群体在这一时期保持了一定的同质性，直到侏罗纪中晚期，此时掠食性恐龙开始多样化，出现了角鼻龙下目、棘龙超科、肉食龙下目，而草食性恐龙则包括剑龙下目和体型巨大的蜥脚下目。这一时期的著名地层有北美洲的莫里逊组和坦桑尼亚的敦达古鲁地层。在中国，出现了多样化的恐龙，如中华盗龙科和颈部极长的马门溪龙。甲龙下目和鸟脚下目开始普及，而原蜥脚类恐龙则已经灭绝。松柏目和蕨类成为最常见的植物。与早期的原蜥脚类恐龙相似，蜥脚类恐龙的嘴部也无法做出复杂动作。鸟脚类恐龙则发展出了不同的植物处理方式，例如将食物放在嘴两侧的颊部，并具备类似咀嚼的颚部动作。在这一时期，鸟类从虚骨龙类的手盗龙类演化而来。到了早白垩纪，盘古大陆持续分裂成各个陆块，恐龙变得更加多样化。甲龙类、禽龙类、腕龙科分布在欧洲、北美洲和北非。稍后，大型兽脚亚目恐龙，如棘龙科、鲨齿龙科，以及雷巴齐斯龙科和泰坦巨龙类，占据了非洲和南美洲。在亚洲，手盗龙类的驰龙科、伤齿龙科、偷蛋龙下目成为常见的兽脚类恐龙，而甲龙科和早期的角龙下目（如鹦鹉嘴龙）则是该地区的常见草食性动物。同时，澳大利亚生存着原始的甲龙类、棱齿龙类、禽龙类。剑龙类则在早白垩纪到晚白垩纪之间灭绝。早白垩纪发生了一件重大事件，开花植物出现在北美洲，并在晚白垩纪扩散开来。许多草食性恐龙发展出了不同的进食方式。角龙类发展出了切割用的喙嘴，其后方的牙齿组成了多个咀嚼用的齿系（Tooth batteries）；禽龙类也独立演化出了咀嚼用齿系，并在鸭嘴龙科中达到了顶峰。一些蜥脚类恐龙也演化出了齿系，尼日龙是雷巴齐斯龙科中最明确的证据。晚白垩纪的恐龙通常被分为三个动物群。在北半球的北美洲和亚洲，兽脚类恐龙主要包括大型暴龙科和众多小型手盗龙类，而优势草食性恐龙则由鸭嘴龙科、角龙下目、甲龙科和厚头龙下目构成。南半球的冈瓦那大陆持续分裂，阿贝力龙科是优势兽脚类恐龙，泰坦巨龙类则是优势草食性恐龙。在欧洲，凹齿龙科、结节龙科、泰坦巨龙类是常见的恐龙。开花植物进一步繁盛，白垩纪末期出现了第一群禾本科（草）植物。鸭嘴龙科和甲龙下目在北美洲、亚洲达到了高度多样化。兽脚亚目也演化出了草食性或杂食性的物种，镰刀龙超科和似鸟龙下目变得更加常见。白垩纪-第三纪灭绝事件发生于白垩纪末期，约6500万年前，导致所有恐龙的灭绝，却使得鸟类得以崛起。然而，其他双弓动物在灭绝事件中存活下来，包括鳄鱼、蜥蜴、蛇、喙头蜥和离龙类。
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