A tengeri őshüllők voltak az elsőként felfedezett gerinces fosszíliák, melyek kulcsfontosságú szerepet játszottak az evolúció elméletének kidolgozásában. A XVIII. század végén Maastrichtban, egy bányában találták meg annak a gyíkszerű lénynek az állkapcsát, amit később Mosasaurusnak neveztek el. E lelet igazolta azt az akkoriban eretneknek számító elképzelést, hogy az állatok igenis kihalhatnak. A XIX. század elején a legendás fosszíliavadász, Mary Anning Ichthyosaurusokra és Plesiosaurusokra bukkant Dél-nyugat-Anglia partjainál. (Az ő munkája alapozta meg a paleontológia tudományának kialakulását.) Szárazföldi rokonaik, a dinoszauruszok azonban hamarosan kiszorították őket a tudományos érdeklődés középpontjából, és majd egy évszázadnak kellett eltelnie ahhoz, hogy a kutatások ismét folytatódjanak.

Ma a tengeri hüllők száma kicsi. A tengeri teknősök, tengeri kígyók és tengerre is kimerészkedő bordás krokodilok tartoznak ide. Azonban a jégmentes mezozoikumban, a földtörténeti középkorban mindenütt hüllők szelték az óceánok habjait, és ők töltötték be a mai bálnák, delfinek, fókák és cápák ökológiai szerepét.

A jelenkori tengeri emlősökhöz hasonlóan az egykori mezozoikumi tengeri hüllők is szárazföldi ősöktől származtak, és tüdővel lélegeztek. A hüllők mintegy 300 millió évvel ezelőtt fejlődtek ki olyan kétéltűszerű ősökből, melyek szaporodásához vízre volt szükség. A hüllők azonban remekül élnek forró és száraz élőhelyen is. 280 millió évvel ezelőtt azonban egy csoportjuk visszatért a vízbe: az ún. mesosauriák. Teljesen vízi életet éltek, karcsú testtel, úszóhártyás lábakkal és fogakkal teli állkapoccsal. Néhány millió évvel később viszont, a permi nagy kihalás idején, leszármazottak nélkül haltak ki.

Az elnéptelenedett tengerek új lakókra vártak, és a hüllők ismét jókor voltak jó helyen. A Föld átlaghőmérséklete a mainál néhány fokkal magasabb volt, ami tökéletesen megfelelt a hidegvérű állatoknak. Sokféle típusuk fejlődött ki a mezozoikumban, ám közülük csupán négy csoport emelkedett ki létszáma, dominanciája és általános elterjedtsége miatt: az Ichthyosaurusok, a Plesiosaurusok, a Pliosaurusok és a Mosasaurusok. Mindegyik csúcsragadozónak számított. Sikerük egyik kulcsát az elevenszülés megjelenése adta. Ez tette lehetővé ugyanis az irdatlan testméretek kialakulását, hiszen nem kellett kimászniuk a szárazföldre a tojásrakáshoz. Az elevenszülést a németországi holzmadeni kőfejtőben épségben talált, szülés közben elpusztult Ichthyosaurus fosszíliája bizonyítja. 2004-ben beigazolódott az is, hogy a Plesiosaurusok ősei is elevenszülők voltak.

Az Ichthyosaurusok kb. 245 millió évvel ezelőtt jelentek meg. Az első fajok part mentén élő, angolnaszerű lények voltak, melyek aztán 40 millió év alatt áramvonalas, óceánjáró, delfinszerű állatokká fejlődtek. Leszármazottaik egy részéből fejlődtek ki a valaha élt legnagyobb tengeri hüllők. 2004-ben kanadai kutatók 210 millió éves kőzetből egy 21 méteres óriást ástak ki. A Shonisaurus akkora volt, mint a kék bálna, a Föld legnagyobb ma élő állata. Maradványok alapján azonban a kutatók úgy vélik, még ennél nagyobb lények is élhettek akkoriban.

Mire 200 millió évvel ezelőtt beköszöntött a jura időszak, a behemótokhoz kisebb és gyorsabb lények is csatlakoztak. 2002-ben a kaliforniai Ryosuke Motani úgy becsülte, hogy a 180 millió évvel ezelőtt Európában élt Ichthyosaurus, a Stenopterygius sebessége megközelítette a ma élő leggyorsabb halét, a tonhalét.

A jurában fénykorukat élő Ichthyosaurusok minden egyéb tengeri hüllőnél nagyobb számban lepték el a Földet, és elsőként hódították meg a tengerek mélyét, amint azt Motani az egykor élt lények szemének optikai tulajdonságai alapján feltételezi. A 4 méter hosszú Ophthalmosaurus szeme például 23 cm átmérőjű volt, míg a 9 méteres Temnodontosaurus szeme 26 cmes. A mai élőlények között csupán a mélytengeri óriás tintahalnak van ekkora szeme. Motani úgy véli, a hatalmas szem az 500 méteres vagy még mélyebbre való merüléshez való alkalmazkodás jele.

Az Ichthyosaurusokhoz csatlakoztak a Plesiosaurusok és a Pliosaurusok, melyek kb. 65 millió évvel ezelőttig élték virágkorukat. Bár nem látszik rajtuk, közeli rokonok. A Plesiosaurusok hosszú nyakú, kis fejű és kecses testű, míg a Pliosaurusok nagy testű, rövid nyakú és nagy fejű állatok voltak. A két csoport tagjai négy lapátszerű lábbal hajtották magukat a vízben. A Plesiosaurusok jellegzetesen hosszú nyaka extrém esetben meghaladhatta akár a test és a farok együttes hosszát is. Az Elasmo saurusnak 72 csigolyája volt, több, mint bármely ismert állatnak. A hosszú nyakú tengeri állatok a Plesiosaurusok kihalásával eltűntek a Földről, pedig részben épp ezen tulajdonságuk miatt lehettek oly sikeresek. Feltételezések szerint halrajok alá úsztak, majd alulról felnyúlva kapták el áldozataikat, mielőtt még a raj felismerhette volna a veszélyt.

Bár a Plesiosaurus akár a 14 méteres hoszszúságot is elérhette, összességében eltörpült a Pliosaurus mellett. A valaha élt legnagyobb Pliosaurus valószínűleg az angliai Oxfordshire-ben talált 3 méteres állkapcsú Pliosaurus. A lelet alapján 18 méteresre becsülik testhosszát. Tömege akár 30 tonna is lehetett. (Egy T. rex csupán kb. 7 tonna volt.) A norvég Jörn Hurum és kutatócsoportja hasonló, közel 15 méteres állatok maradványaira bukkant a Spitzbergákon. Ezek a lények hatalmasak és félelmetesek voltak. Egy 100 millió évvel ezelőtt élt, 11 méteres ausztráliai Pliosaurus, a Kronosaurus gyomortartalma alapján Plesiosaurusokat evett. A kutatók szerint a Kronosaurusnak sokkal erőteljesebb volt a harapása, mint amire egy ilyen hosszú pofájú állat esetében számíta nának.

Eddig ismeretlen okok miatt az Ichthyosaurusok és a hatalmas Pliosau rusok mintegy 90 millió évvel ezelőtt kihaltak. Ökológiai helyüket azonban hamarosan átvették a Mosasaurusok, melyek között egyedülálló módon még félig vízhez kötött átmeneti formák is ismertek. Talán a hiányzó láncszem legjobb példája a 98 millió éves Haasiasaurus, melyre a palesztin Rámálláh közelében bukkantak. Ez az állat szárazföldön éppen olyan jól mozgott, mint vízben, állítja a fajt 1999-ben leíró amerikai Mike Polcyn. Ezekből a korai Mosasaurusokból alakultak ki aztán a hatalmas méretű, teljesen tengeri életmódot folytató lények, melyek ádáz harcot folytattak egymással. Ezt a számtalan törött csont, bezúzott koponya és méretes harapási nyom igazolja.

A legutolsó Mosasaurusok pedig érdekes evolúciós trendet mutatnak. Míg a primitív Mosasaurusok karcsúak voltak, és angolna módjára mozogtak, a későbbi, merevebbé vált fajok azonban már csak a farkukkal hajtották magukat, mint a cápák. A fejlődési folyamat a Plotosaurusnál, a legmagasabb fejlődési fokon álló Mosasaurusnál csúcsosodott ki. Az egyetlen ismert, a krétakor végéhez közel élt, 8 méteres példány sejteni engedi, mivé fejlődhettek volna e lények, ha nem pusztulnak ki. Azonban a krétakor végén a dinoszauruszokkal együtt őket is elérte a végzet. A keletkezett űrt kb. 10 millió évvel később egy, a farkashoz hasonlító húsevő emlős, a Pakicetus kezdte betölteni, mely akkoriban merészkedett először a vízbe. Ezzel újra megkezdődött a tengerek meghódítása, de ez már egy másik történet.