Louis Marie Pantaleon Costa réalisa une des premières grandes collections de ces oiseaux au début du XIXe siècle. Jules Bourcier fut un grand spécialiste de ces oiseaux sur la fin de ce siècle. John Gould a publié la célèbre Birds of New Guinea et Monograph of Trochilidae entre 1849-61 et un supplément entre 1880-87.
Le mot Trochilidae vient du grec et signifie « petit oiseau ». Selon certaines sources, le terme « colibri » dériverait d'une langue caribe. Dans les classifications traditionnelles, cette famille était classée dans l'ordre des Apodiformes. La classification de Sibley place cette famille dans les Trochiliformes qui est monotypique, mais cette hypothèse est discutée.
Les Nectariniidae qui leurs ressemblent par la couleur de leur plumage ou leur alimentation, ne sont que des parents plus lointains (Passeriformes) qui vivent dans l'océan Indien et le Pacifique. Il arrive que certaines de ces espèces soient qualifiées à tort de colibri ou d'oiseau-mouche.
Les ailes des oiseaux-mouches sont creuses et fragiles, rendant la fossilisation difficile, l'histoire de cette famille n'est donc connue que grâce aux analyses ADN. Il semble que les oiseaux-mouches aient un ancêtre commun avec les martinets, il y a environ 35 Ma. Deux fossiles d'espèces très voisines, datés de 29 Ma, ont été mis au jour dans le Bade-Wurtemberg et nommés Eurotrochilus inexpectatus. Ils vivaient dans un climat comparable à celui de l'Amérique du Sud actuellement. Un spécimen de Eurotrochilus bien conservé et trouvé en France révèle que ceux-ci sont morphologiquement très modernes et plus proches des Trochilinae que des Phaethornithinae. Le plus vieux fossile comparable avait été mis au jour en Amérique du Sud et datait de 1 Ma seulement.
L'hybridation de l'ADN suggère que l'explosion radiative initiale ait eu lieu, au moins en partie, au cours du Serravallien, entre 12 et 13 Ma, pendant l'émergence des Andes. Ces oiseaux sont passés d'une altitude de 1 500 mètres à 2 000 mètres. On les suppose originaires de l'Amérique du Sud car leur diversité y est la plus importante.
On dénombre plus de 330 espèces d'oiseaux-mouches réparties en Amérique tempérée et tropicale.
Dans la classification classique :
─oCaprimulgiformes └─o ├─o │ └─o de nombreuses familles comportant des espèces éteintes et vivantes dont Podargidae, Batrachostomidae, Nyctibiidae └─o Daedalornithes ├─o Aegothelidae └─o ├─o Caprimulgidae └─o Apodiformes ├─o Trochilidae └─o Apodi ├─? Jungornithidae, └─o Laputavis, Aegialornithidae, Hemiprocnidae,
Eocypselus, Apodidae dont Cypseloidinae et Apodinae
Les Phaethornithinae sont considérés plus primitifs que les Trochilinae par certains auteurs. Les Phaethornithinae ne possèdent pas l'habituel dimorphisme sexuel des oiseaux-mouches, les plumes des mâles et celles des femelles sont iridescentes.
N.B. : l'ordre de cette liste n'est pas aléatoire, il correspond à des liens de parenté entre les différentes espèces (phylogénie). Elle a été établie à partir des listes d'Alan P. Peterson et de la Commission internationale des noms français des oiseaux (Cinfo).
Peu d'hybridations ont donné lieu à une étude scientifique. On peut cependant citer celle de Amazilia tzacatl × Amazilia rutila, celle de Hylocharis leucotis × Selasphorus platycercus ou celle de Selasphorus sasin × Calypte anna.
Deux espèces sont répertoriées comme éteintes par l'UICN en 2007, Chlorostilbon elegans et Chlorostilbon bracei. Lophornis brachylophus, Lepidopyga lilliae, Amazilia luciae, Amazilia castaneiventris, Aglaeactis aliciae, Coeligena orina, Sephanoides fernandensis, Eriocnemis nigrivestis, Eriocnemis godini, Eriocnemis mirabilis sont en danger critique d'extinction.