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早在数千年前，人类就已发现恐龙的化石，但当时并不晓得这些石头的真实面目。古代中国人将恐龙化石认为是中国神话中的龙骨头，可当作中医的药材。例如在[[东晋]]时期成书的《华阳国志》中，作者 [[ 常璩便 ]] 记录到， [[ 四川 ]][[ 武城 ]] 曾经发现龙的骨头。在欧洲，恐龙化石则被认为是神话中的巨人遗骸，或是大洪水时期前的大型动物。居住于古代中亚地区的西徐安人，可能将当地发现的原角龙化石，描述成狮子身体、大型爪、以及鹰头，且守卫黄金的生物，成为狮鹫的形象来源。

1676年， [[ 英国 ]][[ 牛津市 ]] 附近的Cornwell的一处石灰岩采石场出土了一个骨头化石。 [[ 牛津大学 ]] 的教授 [[ 罗伯特‧普劳特 ]] 研究后，认为是一只大型动物的股骨最下端。 [[ 波尔蒂 ]] 认为这些骨头过大，所以并不属于当时任何已知物种，而是来自于某种巨大人类的大腿骨。这些骨头之后就遗失了，但留下了详细的叙述。1824年，牛津大学的地质学家 [[ 威廉·布克兰 ]] 将其命名为斑龙。

1699年，Edward Lhuyd在牛津市近郊发现一颗牙齿化石，命名为Rutellum implicatum。在2002年，科学家发现这颗牙齿属于 [[ 蜥脚下目恐龙 ]] 。

1822年，英国动物学家 [[ 吉迪恩·曼特尔 ]] 在 [[ 萨塞克斯郡 ]] 采石场找到了几颗巨大的牙齿，并认为这些化石与鬣蜥有类似处。此后他又先后发现了31具带着牙齿的骨骼化石，经过拼凑进行了复原，并在1825年建立了禽龙属（Iguanodon）。1842年，英国古生物学家 [[ 理查·欧文 ]] 认为斑龙、禽龙、林龙等物种具有许多明显共同特征，因此建立Dinosauria一词，以包含这三个属。

1858年， [[ 北美洲 ]] 正式发现第一个恐龙化石。早在1838年， [[ 新泽西州 ]] 哈登菲尔德镇的一个泥灰坑挖出大型的骨头，直到20年后，化石收藏家 [[ 威廉·帕克·佛克 ]] （William Parker Foulke）在当地挖出更多的化石，并由古生物学家 [[ 约瑟夫·莱迪 ]] 命名为鸭嘴龙。这副鸭嘴龙标本是首次发现的接近完整恐龙化石，也显示它们是种二足动物，在此之前，大部分科学家认为恐龙是群类似蜥蜴的四足动物。佛克发现的鸭嘴龙标本，开启了美国的恐龙狂潮。

在19世纪后期的恐龙狂潮中， [[ 奥塞内尔·查利斯·马什 ]] 与 [[ 爱德华·德林克·科普 ]] 间有激烈的竞争，两人竞相发现新的恐龙，这段著名的竞争称为化石战争。许多恐龙标本，因为两人的粗略挖掘与处理步骤，而遭到损毁或破坏，例如采用火药来挖掘化石。尽管如此，他们的贡献却非常巨大，马什命名了86个恐龙的新种，科普则命名了56个，共计142个新种恐龙。马什发现的化石存放于 [[ 耶鲁大学 ]] 的 [[ 皮博迪自然史博物馆 ]] ，科普的化石则存放在纽约的 [[ 美国自然历史博物馆 ]] 。

1861年，德国南部的 [[ 索伦霍芬 ]] 石灰岩矿床中发现了始祖鸟化石，是第一个所谓的“有羽毛恐龙”。始祖鸟是个过渡化石，明显具有现代爬虫类与鸟类的中间特征。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。

1878年， [[ 比利时 ]][[ 贝尼沙特 ]] 发现了31个禽龙化石，可能是洪水所造成的集体死亡，这是恐龙群居行为的第一个证据。

1907年， [[ 非洲 ]][[ 坦尚尼亚 ]] 境内的坦德古鲁地区出土了巨大的骸骨，被命名为长颈巨龙。1908至1912年间， [[ 柏林自然史博物馆 ]] 的 [[ 艾德文·亨尼希 ]] 和 [[ 韦尔纳·亚南施 ]] 来到这里探勘，又挖掘出一只腕龙属的巨大恐龙，以及一只剑龙属的肯特龙骸骨。

1922至1925年间，美国自然史博物馆的工作队在 [[ 蒙古 ]] 戈壁考察，也发现了恐龙骸骨。1971年，在蒙古戈壁沙漠发现了一个极为著名的化石标本，一只伶盗龙正在攻击一只原角龙，这是恐龙会猎食其他恐龙的直接证据。

1986年 [[ 南极州 ]] 的 [[ 罗斯岛 ]] 上发现了第一个恐龙化石，来自南极甲龙；但在1994年，兽脚亚目的冰脊龙首先在科学期刊中被正式命名、叙述，成为第一个被命名的南极洲恐龙。

1998年，意大利一处石灰岩地层出土了幼年棒爪龙化石，保存了极为良好的软组织痕迹，包含部分气管、小肠、结肠、肝脏及肌肉。1999年， [[ 美国 ]][[ 北达科他州 ]] 发现了一具保存完好的恐龙木乃伊，它保存了大部分外皮组织、肌肉、肌腱乃至消化系统内的食物。

目前的主要新化石挖掘处，多是在过去没被探索过的区域，例如： [[ 印度 ]] 、 [[ 南美洲 ]] 、 [[ 马达加斯加 ]] 、 [[ 南极洲 ]] 、尤其是中国，大部分的新发现有羽毛恐龙多出自于中国，因为当时的干燥气候有助于保存化石与化石化的过程。