最古老的爬行動物化石，乃出現在距今約三億年前石炭紀的岩層中。牠們的祖先可能是來自更早泥盆紀的兩棲類。爬行動物登陸之後，面對全然空曠的陸域環境，似乎迫不及待的大肆繁衍分化，而後幾乎占盡優勢，成為陸域環境的霸主。而此一現象也維持了將近二億年之久。
早期爬行動物的頭骨結構依然保留著其祖先型—兩棲類的特徵，即除了眼眶與鼻骨開孔之外，頭骨並沒有其它任何孔洞。爾後，爬行動物的頭骨發展趨勢逐漸朝向頭骨減輕；頭骨的骨片間也有孔洞出現，稱為顳骨開孔；而顳骨開孔也成為爬行動物下顎肌肉的牽拉點，增加了牠們下顎的咬合強度。
爬行動物不同形態的頭骨構造之分歧發展，也正代表著其不同支系的分化繁衍。依據爬行動物頭骨顳骨開孔的有無與位置，可將之在區分為四大類型：
一、無弓類：即頭骨沒有顳骨開孔，為較原始型的爬行動物，例如龜鱉類與分布在二疊紀、三疊紀已滅絕的早期爬行動物。
二、單弓類：即有一個顳骨開孔，位於頭骨較低的位置，周圍的骨片包括了眶後骨、顴骨、鱗骨。這一類型主要為已滅絕的似哺乳爬行動物，牠們後來發展成哺乳類動物。
三、雙弓類：即頭骨有兩個顳骨開孔，其中一個開孔的位置與單弓類相同，另一個開孔的位置則較高，周圍的骨片有眶後骨、頂骨、鱗骨。這一類型的爬行動物包括了蜥蜴、蛇、鱷魚以及已滅絕的恐龍與翼龍。
四、上弓類：即顳骨開孔的位置在較上側，為眶後骨、頂骨、鱗骨所圍繞。牠出現的年代稍晚，推測是由雙弓類的下方之一的顳骨開孔消失而形成。這一類型的代表動物為蛇頸龍與魚龍。
白堊紀末期（距今約六千五百萬年）的環境驟變，造成許多當時曾繁盛一時的爬行動物之大滅絕。然而，爬行動物的後裔—由雙弓類演化而來，且與恐龍親緣關係密切的鳥類，以及由單弓類演化而來哺乳類則群起雲湧，取而代之成為新生代陸域環境的新霸主。