从1861年开始，古生物学家们陆续发现了迄今所知最古老的鸟类祖先始祖鸟的化石，并已证明始祖鸟和食肉的兽脚类恐龙有着最近的亲缘关系。化石显示，始祖鸟的手与现代鸟类大不相同，更接近于兽脚类恐龙，最明显的特征是它有着3个有尖锐爪子的手指，总体形态与小盗龙、鸟脚龙等恐龙的手部几乎一样；始祖鸟的第二脚趾有些特化，较为接近小盗龙等恐爪龙类的第二脚趾；它的颚骨向四方放射生长，有明显的兽脚类恐龙遗传特征。

恐龙骨骼的微观结构也显示了和鸟类的相似性。通过观察不同种类恐龙的骨骼切片，人们发现恐龙从总体上更接近鸟类，它们的生长速率明显快于大多数爬行动物。这种快速生长方式一般见于内温动物（即我们常说的热血动物），这指示恐龙有着和现代内温动物相似的生理特征。这种推测得到了其他证据的支持，比如，发现于中国辽西的寐龙化石显示，这种恐龙和鸟类一样，睡眠时会把嘴部藏于翅膀下面用于保温；一些蜥脚类恐龙牙齿的稳定同位素分析显示，这些恐龙具有稳定的体温，腕龙的体温约为38.2摄氏度，而圆顶龙则为35.7摄氏度。

庞大恐龙变成鸟类有一个关键的变化，就是身体一定要变小，否则我们难以想象一个几十吨重的恐龙怎么样飞向蓝天。

2014年，澳大利亚、英国和意大利等国的研究人员根据120种恐龙的1500多个解剖特征，构建复杂数学模型分析了恐龙在进化过程中的体型变化。分析结果显示，兽脚类恐龙当中的一支，它们的体型一代一代地缩小，在如此“瘦身”5000万年后终于进化成了鸟类——2.1亿年前其平均体重为163千克，当进化到始祖鸟时已经降至0.8千克。

鸟类飞翔靠的是翅膀。那么，恐龙是如何“长”出翅膀的呢？

此前，古生物学家在我国辽宁建昌发现了约1.6亿年前的近鸟龙化石。近鸟龙长而粗壮的前肢上长着飞羽，排列方式类似鸟类飞羽，这说明翅膀的雏形在至少1.6亿年前就在恐龙身上出现了。其他几种兽脚类恐龙，像小盗龙和似尾羽龙，都有着类似羽毛翅膀的结构。

今天除了鸟类，所有会飞的动物都有这样一个倾向：会把自己身体体表所有部分尽量扩展帮助飞行。比如蝙蝠，它的翼不光像鸟类一样在前肢上，也会延伸到后肢，科学家称之为四翼状态。只有鸟类用前肢飞行，用后肢奔跑或行走。这样的现象导致在一百多年前，有学者提出，鸟类最早也不是这么例外的，它的祖先可能也经历过这样的四翼状态。2003年发现的一些小盗龙化石支持了这一假说。

综合这些化石证据你会发现，恐龙变成鸟类可能经历了这样一个阶段，一些恐龙的身体逐渐变小，长得也越来越像鸟类：骨骼中空，身体轻盈；脑颅膨大，行动敏捷；前肢越来越长，能像鸟翼一样拍打；体表长出了美丽的羽毛，不再披着鳞片或鳞甲。它们中的一些种类可能为了躲避敌害或寻找食物而转移到树上生存。这些树栖的恐龙在树木之间跳跃、降落，慢慢具备了滑翔能力，并最终能够主动飞行。