劍齒虎在恐龍時代是袋劍齒虎，袋劍齒虎最早出現在800萬年前的早期，它們和當時北美洲的劍齒貓科動物在不同的環境中平行進化。

袋劍齒虎的體型不是很大，其中最大的種（Thylacosmilus atrox）身長約2米，體重250公斤，相當於雄獅甚至老虎的大小，是袋狼的8倍。

雖不夠高大，但它們也擁有壯實的身體，尤其是前肢。它們最引人注目的地方無疑是頭部——兩顆長達15釐米的劍齒深深埋入上頜，幾乎與頭頂處在同一水平面上；下頜則向下伸出了巨大的護葉，其發達程度也是當年的獵貓科動物所望塵莫及的。

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所有劍齒虎都是生存於3370萬年前至9000年前，但它們的演化支卻在更早的時間就已經開始分支。袋劍虎的分支是最先分開的，約在白堊紀晚期。它們是有袋類，較為接近袋鼠及負鼠而多於貓科。肉齒目則接著分支，再為獵貓科，而最終是貓科的劍齒虎。

在洛杉磯市區，拉布里亞農場的瀝青坑是世界上最不尋常的化石遺址之一。拉布里亞以發掘一種特定動物———劍齒虎而聞名。這裡已先後復原了兩千多隻。

一百多萬年來，一直佔據統治地位的劍齒虎突然卻不得不面對滅絕的危險。拉布里亞瀝青坑的化石顯示，那場災難威脅到了許多物種。許多動物都和劍齒虎一樣遭到了滅頂之災。