在三疊紀之後，恐龍的演化隨者植被與大陸位置的改變而變動。在晚三疊紀到早侏儸紀期間，各主要大陸連線成一個超級大陸，盤古大陸（Pangaea）。這段時間的恐龍動物群主要由肉食性的腔骨龍超科、草食性的原蜥腳下目所構成。裸子植物（尤其是松柏目），在晚三疊紀開始輻射演化，是當時的可能食物來源之一。原蜥腳類恐龍的顎部只能撕咬下樹葉，但不能做出複雜的嘴部動作，因此必須要藉由其他的方式協助磨碎食物。

恐龍動物群維持了一段同質性，直到侏儸紀中到晚期，此時的掠食性恐龍開始多樣化，例如角鼻龍下目、棘龍超科、肉食龍下目，草食性恐龍則有劍龍下目、體型巨大的蜥腳下目。這段時間的著名地層有：北美洲的莫里遜組、坦尚尼亞的敦達古魯地層。此時的中國地區，也呈現出多樣性的恐龍，例如中華盜龍科、頸部極長的馬門溪龍。甲龍下目與鳥腳下目開始普遍，而原蜥腳類恐龍則已滅絕。松柏目與蕨類成為最普遍的植物。蜥腳類恐龍與早期的原蜥腳類恐龍類似，嘴部無法做出複雜的動作。鳥腳類恐龍則發展出不同的處理植物方式，例如可將食物置在嘴中的兩側頰部，以及類似咀嚼的顎部動作。這段期間的另一個重要演化事件是鳥類的演化出現，它們是從虛骨龍類的手盜龍類演化而來。

到了早白堊紀，盤古大陸持續的分裂成各陸塊，恐龍變得更多樣化。甲龍類、禽龍類、腕龍科散佈於歐洲、北美洲、以及北非。稍後，大型獸腳亞目恐龍，例如棘龍科、鯊齒龍科，以及蜥腳下目的雷巴齊斯龍科與泰坦巨龍類，佔據者非洲與南美洲。在亞洲，手盜龍類的馳龍科、傷齒龍科、偷蛋龍下目成為常見的獸腳類恐龍，甲龍科與早期角龍下目（例如鸚鵡嘴龍）則是該地常見的草食性動物。在同一時期，澳洲則生存者原始的甲龍類、稜齒龍類、禽龍類。劍龍類則在早白堊紀到晚白堊紀之間滅絕。

早白堊紀發生了一件重大變化，開花植物出現在北美洲，並在晚白堊紀擴散分佈。數群草食性恐龍發展出不同的方式以協助進食。角龍類發展出切割用的喙嘴，後方有眾多咀嚼用齒系（Tooth batteries）；禽龍類也獨自演化出咀嚼用齒系，並在鴨嘴龍科發展到極致。少部份蜥腳類恐龍也演化出齒系，雷巴齊斯龍科的尼日龍是最明確的證據。

晚白堊紀的恐龍通常分為三個動物群。在北半球的北美洲與亞洲，獸腳類恐龍主要有大型的暴龍科、以及眾多的小型手盜龍類恐龍，優勢草食性恐龍則由鴨嘴龍科、角龍下目、甲龍科、厚頭龍下目所構成。南半球的岡瓦那大陸持續分裂中，阿貝力龍科是優勢獸腳類恐龍，泰坦巨龍類則是優勢草食性恐龍。在歐洲，凹齒龍科、結節龍科、泰坦巨龍類則是常見的恐龍。開花植物更為輻射演化，第一群禾本科（草）植物出現在白堊紀末期。鴨嘴龍科與甲龍下目在北美洲、亞洲發展至極度多樣化。獸腳亞目也演化出草食性或雜食性的物種，鐮刀龍超科與似鳥龍下目更為常見。

白堊紀-第三紀滅絕事件發生於白堊紀末期，接近6500萬年前，造成所有恐龍的滅絕，以及鳥類的崛起。但仍有其他雙弓動物在滅絕事件中存活下來，例如：鱷魚、蜥蜴、蛇、喙頭蜥、以及離龍類。