在地球历史中，龟鳖曾属于爬行动物。它们经历了2亿～6500万年前的侏罗纪和白垩纪，与恐龙家族生活在同一时代。现在恐龙已经灭绝，但龟鳖类依然存活。
龟鳖类的祖先就是原颚龟，它是目前知道的最早的龟类代表。自从19世纪后期发现了这位龟的祖先以后，人们又陆陆续续在德国西部找到了一些早期龟类化石，所以，有人认为龟类很可能起源于欧洲。并且已经证明鳖类是晚些时候从龟类进化而来的。但是在100年后，亚洲的泰国也发现了原颚龟的化石，龟起源于欧洲的结论被打破。
古生物学家推测出，龟鳖类可能是从最古老的爬行动物杯龙类进化而来的，单结构之外，它的基本轮廓与现在的龟类没有多大差别。在亚洲，尤其是中国，从三叠纪晚期到侏罗纪晚期，许多地区有龟类化石产出。如新疆的准噶尔、四川自贡、湖南辰溪、云南禄丰、青海和陕西等都有发现。到了距今约1.78亿年～1.45亿年前的中侏罗纪，龟类在中国已经分布得很广泛了。到侏罗纪晚期，“龟迹”又广泛分布于中国东北地区的辽宁、黑龙江等。海龟但有一个无法解释的疑点就是欧洲大陆龟类化石6000多万年的缺失。有人认为。它们并未离开过欧洲大陆，只不过目前人们还没有找到这段历史的记录而已。但是亚洲大陆同一时期龟类化石却十分丰富。如果再过些时间，科学再发达一些，这个谜团在不久的将来就会被揭开。
在古老的杯龙类与原颚龟之间，至今没有发现任何“过渡环节”，所以关于龟鳖类的起源问题，目前仍然谜团重重，加上它们口中无齿，身不披鳞，前负硬壳等与其他爬行动物格格不入的特征，一些科学家极力主张把它们从爬行动物大类中“摘”出来。称为“副爬行动物”。好在龟鳖类有代表种类，人们以它们研究得比较详细，加上它们具备的冷血、卵生等爬行动物的特点，它们分类地位还比较稳固。如果它们灭绝，只留下化石，人们还真搞不懂它是什么动物了！
