化石に羽毛の痕跡が残る物的証拠としては、1861年に発見された始祖鳥の化石が有名である。キメの細かい石灰岩の岩盤に挟まれた形で見つかったこの化石には、はっきりとした羽毛の印象が残されていた。
然し、始祖鳥が「恐竜」なのか「鳥」なのかは現在でも議論が多く、確実に「恐竜」と呼べる種の羽毛を伴った化石の発見は1990年代まで待たねばならない。
1960年代の所謂「恐竜ルネッサンス」（それまでの「愚鈍な爬虫類」と言う恐竜のイメージが刷新され「活発な動きを可能とした「脱爬虫類」であるとする風潮）以降、恐竜と鳥の系統関係が注目されるようになるされるようになると、その流れの中で「恐竜ルネッサンス」の急先鋒である科学者ロバート・バッカーや恐竜復元画家グレゴリー・ポールなど、恐竜恒温説を唱える一派は恐竜の復元図に「羽毛」の存在を主張するようになった。そして彼等の「予言」は1990年初頭、中国で羽毛の印象を伴ったコンプソグナトゥス類・シノサウロプテリクスの発見で立証される事になる。
現在では、羽毛の痕跡が見つかっている恐竜は20属以上を数え、小さな種では全長40㎝程度のミクロラプトルから大きな種では全長9ｍのユティラヌスまで幅広い。殆どが獣脚類、つまり肉食恐竜で占められるのは興味深いところである。
重要な発見の大半は中国の遼寧省に分布する熱河層群の義県層から見つかっている。
ある種の羽毛恐竜では、免疫学テストでβ角質（鳥類の羽毛の主要タンパク質）が検出された事例もあり、少なくとも一部の恐竜が羽毛を生やしていた、若しくは羽毛の原型となる体毛をもっていた事実は化石記録から確実視されている。
