Los primeros fósiles de vertebrados se publicaron dos veces en 1708 y se sospecha que son reliquias del Gran Diluvio. En 1811, Mary Anning descubrió el primer fósil completo de ictiosaurio en Lyme Regis, en la Costa Jurásica. Desde entonces, ha descubierto tres fósiles diferentes.
En 1905, la Expedición de Dinosaurios de la Universidad de California descubrió 25 fósiles en Nevada, y los estratos del Triásico eran poco profundos. Hoy en día, algunos de estos fósiles se exhiben en el Museo de Arqueología de la Universidad de California. Otros fósiles todavía están enterrados en lechos de piedra y se pueden visitar en el Parque de Ictiosaurios de Berlín, de propiedad estatal, en el condado de Nye. En 1977, el estado de Nevada designó al Zhaoxetosaurus del Triásico como su fósil estatal. Nevada es el único estado con un Shoniichthyosaurus completo de 17 metros de largo. En 1992, un ictiólogo canadiense descubrió el fósil de ictiosaurio más grande hasta la fecha, que medía 23 metros de largo. Se han encontrado fósiles de ictiosaurio temprano en estratos del Triásico Temprano y Medio en China, Japón y Spitzbergen, Noruega. Estas primeras especies incluyeron Chaosaurus, Gripiasaurus y Utahsaurus. Estos primeros ictiosaurios eran ictiosaurios pero no ictiosaurios y evolucionaron hasta convertirse en verdaderos ictiosaurios durante el Triásico Medio tardío, temprano o temprano. Estos ictiosaurios rápidamente divergieron en muchas especies, incluido el Cymbospondylus de más de 65.438 metros de largo, como la serpiente marina, y especies más pequeñas como el dragón híbrido. Los ictiosaurios del Triásico tardío incluyen Sastosaurus y Californosaurus, el último de los cuales se parecía más a un delfín.
En el período Jurásico, los Sast Ichthyosauridae alcanzaron la cima de los ictiosaurios. Se han encontrado muchos fósiles en la Formación Cannage en Nevada, y el Zhaosaurus común medía 15 metros de largo. A ambos lados del Pacífico se han descubierto ictiosaurios Sast en etapa cannica. El dragón tibetano del Himalaya fue descubierto en el Tíbet. Estos ictiosaurios de 10 a 15 metros de largo pueden pertenecer al mismo género que Shoniichthyosaurus. El ictiosaurio descubierto en la Columbia Británica alcanzó los 21 metros de longitud, lo que lo convierte en el reptil marino más grande jamás descubierto.
Los ictiosaurios del Jurásico temprano incluyen cuatro familias y muchas especies, con longitudes que oscilan entre 1 y 10 metros. Sus géneros incluyen Orisaurus, Ichthyosaurus, Leposaurus, Stenosaurus y el gran pez carnívoro Temnodontosaurus, pero también quedan algunos ictiosaurios primitivos de épocas anteriores.
Aún hubo ictiosaurios en el Jurásico Medio, pero su diversidad disminuyó. En este momento, los ictiosaurios representativos incluyen el Ophthalmosaurus de cuatro metros de largo y sus géneros vecinos, que se parecen a los ictiosaurios con cuerpos aerodinámicos. Los ictiosaurios tenían ojos muy grandes y probablemente cazaban en aguas oscuras y profundas.
La diversidad de ictiosaurios parece haber seguido disminuyendo durante el Cretácico. Hasta la fecha sólo se ha descubierto un género de ictiosaurios del Cretácico: Platypteryx. Aunque se distribuyen por todo el mundo, existen muy pocas especies. Estos ictiosaurios desaparecieron durante el evento de extinción del Cretácico medio.