中生代の鳥類の化石は19世紀に発見されたジュラ紀の始祖鳥（アーケオプテリクス）の他に、白亜紀の鳥と恐竜の双方の特徴をもつ、羽毛をもつ生物の化石が、1990年代以降、中国大陸など次々と発見されている。中でも空を飛んだミクロラプトルなどを含むドロマエオサウルス類は学者によっては鳥類に含めることもあるほど鳥類的であり、少なくとも鳥類の姉妹群であるとされている。ちなみに始祖鳥は現生鳥類の直接の祖先ではなく、進化の過程で分岐した古鳥類の一種である。
代表的な古鳥類は、ジュラ紀の始祖鳥の他、白亜紀のエナンティオルニス類・ヘスペロルニス・イクチオルニス・孔子鳥など。現在の地球上で鳥類に最も近縁なのはワニ類である。
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非主流の仮説では、鳥類の恐竜起源に異論を唱える鳥類学者のアラン・フェドゥーシアが「鳥は、恐竜ではなく、ロンギスクアマ（小型の樹上性爬虫類）から進化した」という説を唱えている。フェドゥーシアと彼の支持者の主な反論をまとめると以下の通り。
鳥に近いとされているグループの恐竜は恐竜としては小型でも飛ぶには重過ぎる
走行説、捕虫網説などの恐竜が飛行するにいたるまでを説明する仮説がいずれも空力学的に不適切
鳥類も恐竜も発生途上で前肢の2本の指が退化するが、鳥類は親指と小指が退化するのに対し、恐竜は薬指と小指が退化する 。