La similitud del Archaeopteryx litografica con un reptil, salvo por sus plumas, demostró que las aves descienden de ellos, y que su transformación se produjo para poder volar.
El Archaeopteryx era del tamaño de una paloma grande, tenía la mandíbula con dientes y una cola larga como la de un lagarto, pero emplumada. Sus extremidades anteriores se habían transformado en alas, debajo de las cuales aún tenían tres dedos con uñas aplanadas que le permitían sujetarse a los árboles. Las plumas, al igual que sus alas, eran muy similares a las de las aves actuales, excepto por la cola, donde estaban dispuestas de forma irregular.
Se cree que el Archaeopteryx desciende de unos pequeños dinosaurios del Orden Saurischia, pero a diferencia de estos era de sangre caliente, por lo que las plumas, que evolucionaron de las escamas reptilianas, le permitieron mantener estable la temperatura de su cuerpo.
Las siguientes aves de las cuales se tiene indicios son de 70 millones de años después, y eran muy similares a las actuales. Entre ellas estaba el Hesperornis regaus, que aún tenía dientes, pero no podía volar.
Durante la Era Terciaria (65-2 millones de años atrás), las aves aumentaron en número y variedad, en especial durante el Período Eoceno (54-38 millones atrás). De este período se conocen al menos 30 familias. Datan de esa época, el Diatryma steini, no volador, que caminaba con sus 2,2 metros de altura por Europa y América del Norte, y también, el Neocathartes, que es el predecesor de los buitres actuales.
Del Período Mioceno (26-7 millones de años atrás) se han encontrado fósiles de otra ave gigante y no voladora, el Phororharcos inflatus, que habitó América del Sur, y también el Palaeolodus, de Europa, que se parecía a un pequeño flamenco. Otra ave de América fue el Argentavis magnificens, el ave voladora más grande que se ha conocido. Medía siete metros.
