在三叠纪晚期，一些原始兽脚类与兽脚类恐龙便已经出现。最早且最为原始的肉食性恐龙是阿根廷的始盗龙与艾雷拉龙科。艾雷拉龙科最早出现于三叠纪的卡尼阶后期到诺利阶（Norian）早期。在北美洲与南美洲可以发现这类恐龙化石，此外它们可能也出现在印度与非洲南部。艾雷拉龙科同时拥有一些较为原始以及较为晚近的恐龙特征，是一种镶嵌演化（Mosaic evolution；不同特征拥有不同演化速率）的现象。古生物学家们本来认为艾雷拉龙类是兽脚类的物种之一，不过后来发现它们可能是原始的蜥臀目恐龙，甚至可能早于蜥臀目与鸟臀目的分化。根据2009年新发现的太阳神龙，显示艾雷拉龙类可能是群早期兽脚类恐龙[4]。
兽脚亚目的足迹
最早且最原始的兽脚亚目恐龙（或者说是真兽脚类）为腔骨龙超科。腔骨龙超科是群轻型、分布广泛的群居恐龙。腔骨龙科包含小型掠食动物（例如腔骨龙、合踝龙），以及大型掠食动物（例如身长6米的双脊龙）。这些成功的动物生存于三叠纪的诺利阶到侏罗纪的托阿尔阶。但在早期的亲缘分支分类法研究里，腔骨龙超科被分类于角鼻龙下目，并且被认为是更先进兽脚类的一个旁支[5]；目前腔骨龙超科被认为可能是其他兽脚类的祖先，如此一来，它们将成为并系群集合[6][7]。
较为先进的角鼻龙下目（包括角鼻龙与食肉牛龙）生存于劳亚大陆，它们出现于侏罗纪早期，并存活到侏罗纪晚期。角鼻龙下目与更先进的坚尾龙类近亲同时竞争，其中的阿贝力龙超科支系，在冈瓦纳大陆存活到白垩纪末期。
坚尾龙类比角鼻龙下目更为特化。它们可分为两个演化支：较原始的斑龙超科（或称棘龙超科、蛮龙超科）、以及较先进的鸟兽脚类。斑龙超科在侏罗纪中期到白垩纪早期最为普遍，其中的棘龙科存活到白垩纪的土仑阶。鸟兽脚类更为接近鸟类，并且还可分为两个演化支：肉食龙下目（例如异特龙）、虚骨龙类。虚骨龙类是一个非常大群且多样化的演化支，在白垩纪时期非常普遍。
因此，在侏罗纪晚期，有四个兽脚亚目支系存活者，包括：角鼻龙下目、斑龙超科、肉食龙下目、以及虚骨龙类，它们以丰富的小型与大型植食性恐龙为食。这四个演化支都存活到白垩纪，其中只有阿贝力龙超科、异特龙超科与虚骨龙类存活到白垩纪末；而阿贝力龙超科、异特龙超科分布于冈瓦纳大陆，虚骨龙类主要分布于劳亚大陆。
在所有兽脚亚目演化支中，虚骨龙类是最多样化的一个演化支。有些虚骨龙类演化支繁盛于白垩纪，例如：暴龙超科（包含暴龙）、驰龙科（包含迅猛龙与恐爪龙，它们类似已知最古老的鸟类：始祖鸟）[8][9]、伤齿龙科、杂食性的偷蛋龙下目、植食性的似鸟龙科与镰刀龙超科、以及鸟翼类[10]。这些不同的演化支起源于侏罗纪晚期，甚至是侏罗纪中期，但在白垩纪早期才开始繁盛起来。少数古生物学家，例如葛瑞格利·保罗（Gregory S. Paul），提出在这些先进兽脚亚目中，某些或者全部其实是从会飞行的恐龙，或者是类似始祖鸟的原始鸟类演化而来，并失去了它们的飞行能力，重新成为陆地动物[11]。需要更多的化石证据才能了解这些先进兽脚亚目恐龙之间的正确关系。