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恐龙可能是鸟类祖先的理论，是在1868年由汤玛斯·亨利·赫胥黎首次提出。在20世纪早期，格哈德·海尔曼（Gerhard Heilmann）出版了一本书，《鸟类起源》（The Origin of Birds）。海尔曼根据恐龙缺乏叉骨（接合的锁骨），而认为鸟类与恐龙间没有关系，他进而假设鸟类演化自鳄形超目或槽齿目的祖先，而非恐龙。后来发现的恐龙化石则发现了锁骨或叉骨，例如1924年发现的偷蛋龙，但在当时被误认为是间锁骨。在1970年代，约翰·奥斯特伦姆（John Ostrom）重新提出鸟类演化自恐龙的理论。随着这几十年来亲缘分支分类法研究的增加，以及更多小型兽脚类恐龙与早期鸟类的发现，这个理论得到更多的支持。其中最重要的是发现于义县组的有羽毛恐龙化石，已发现过多种不同型态的羽毛。

鸟类与兽脚类恐龙具有上百个共同的生理特征，它们目前被普遍认为是近亲。鸟类与手盗龙类的关系更为亲近。少数科学家则提出不同的演化途径，例如艾伦·费都加（Alan Feduccia）与赖瑞·马丁（Larry Martin），他们提出类似海尔曼的鸟类演化自原始主龙类假设，并认为即使鸟类起源于手盗龙类，而提出手盗龙类并非恐龙，而是与恐龙的趋同演化结果，有羽毛的恐龙，羽毛是鸟类最具识别的特征之一。根据目前化石证据的分布，羽毛应该是恐龙的祖征，尽管在某些非鸟类恐龙中羽毛可能已经退化。在非鸟类恐龙中，在各式各样的物种中发现了羽毛或类似羽毛结构的直接化石证据。

始祖鸟发现于1861年的德国南部，是第一个被发现的“有羽毛恐龙”。这个标本出土于索伦霍芬石灰岩矿床，这个地层因为挖出了许多状态极良好的化石而著名。始祖鸟是个过渡化石，明显具有爬虫类与鸟类的中间特征。而就在两年前，查尔斯·达尔文发表了《物种起源》一书，始祖鸟的发现使得进化论与创造论的争论更为激烈。这种早期鸟类非常像恐龙，至少有一个标本，因为周围没有明确的羽毛痕迹，而被误认为是美颌龙。

90年代以来，发现了更多的有羽毛恐龙，为恐龙与鸟类的关系提供了更多的证据。大部分的新标本被发现于中国辽宁省的义县组，该地在白垩纪的时候，属于一个小型大陆。虽然有羽毛恐龙仅发现于少数地区，但有可能当时全球各地都出现了有羽毛恐龙。各地的化石纪录很少羽毛痕迹与有羽毛恐龙，可能是因为在化石化的过程中，羽毛与皮肤等脆弱部分，很难被保留下来。原始的羽毛细而缺乏羽枝，已出现在原始的虚骨龙类恐龙，例如美颌龙科的中华龙鸟，与暴龙超科的帝龙，而有羽枝的羽毛出现在虚骨龙类的手盗龙类，例如：偷蛋龙下目、伤齿龙科、驰龙科、以及鸟类。

有羽毛恐龙并非毫无争议，其中最重要的是艾伦·费都加（Alan Feduccia）与蒂纲·索拉（Theagarten Lingham-Soliar）所提出的，他们指出这些看起来是原始羽毛的物体，其实是胶原纤维腐化而成的，这些胶原纤维在身前位于恐龙外表覆盖物之下。他们并提出手盗龙类都不是恐龙，而是与恐龙平行演化的结果。但他们的大部分意见不被其他研究人员所接受。

在2016年，据报道，发现一只带有羽毛的恐龙尾巴被包裹在琥珀中。化石大约有9900万年的历史”软组织根据俄亥俄大学的古生物学家派崔克·欧康纳的研究，大型肉食性恐龙具有复杂的空腔，类似现代鸟类的气囊。这些脚踝类似鸟类的二足兽脚类恐龙，其肺脏可将空气送往骨头内的空腔，如同现代鸟类。气囊过去被认为是鸟类的专有特征，但目前已发现某些恐龙具有类似的气囊系统。在2008年7月份的《公共科学图书馆·综合》（PLoS One）杂志中，科学家宣称发现一种新恐龙，气腔龙，具有类似鸟类的呼吸系统。电脑断层扫描显示气腔龙骨头的内部具有中空空间.

一个近几年发现的暴龙化石，其腿部骨头被发现有骨髓骨。这被视为恐龙与鸟类演化自共同祖先的证据，也是首个可鉴定出性别的恐龙化石。雌性鸟类在产卵时，四肢骨头的外部骨质与骨髓之间会产生一种特殊骨层，称为骨髓骨（Medullary bone）。骨髓骨富含钙，只存在于鸟类体内，可在产卵期用来制造蛋壳。目前已在兽脚亚目的暴龙与异特龙、以及鸟脚亚目的腱龙化石上发现骨髓骨。因为这三者与鸟类的所属支系，在相当早的时候就已分开演化，因此可推论恐龙普遍会制造骨髓组织。由于曾在亚成年体化石发现过骨髓骨，这显示恐龙达到性成熟的时间很快行为证据一个近年发现的伤齿龙科化石，显示它们睡觉时，头部塞在手臂内侧，类似某些现代鸟类。这种睡姿可使头部保持温暖，是现代鸟类的特征之一。恐龙与鸟类有接近亲缘关系的另一个证据则是沙囊石头。这些动物会吞食石头以协助消化，并磨碎胃中的食物与坚硬纤维。发现于化石中的沙囊石头，被称为胃石。