Les fossiles de grands animaux mésozoïques sont connus depuis des millénaires, mais leurs véritables identifications n'ont émergé qu'après plusieurs décennies de conceptions fantaisistes au sein même d'une géologie et d'une paléontologie devenues scientifiques.
Pour les Chinois c'étaient des os de dragons, pour les Européens des restes des Géants bibliques et d'autres créatures tuées par le Déluge. Georges Cuvier décrit un lézard marin, le mosasaure (contemporain des dinosaures, mais qui n'en était pas un), dès 1808. Les premières espèces identifiées et baptisées sont l’iguanodon, découvert en 1822 par le géologue anglais Gideon Mantell, qui a remarqué des similitudes entre ses fossiles et les os de l’iguane contemporain. Le premier article scientifique sur les dinosaures paraît deux ans plus tard. Il est publié par le révérend William Buckland, professeur de géologie à l'université d’Oxford, et concerne Megalosaurus bucklandii, dont un fossile avait été découvert près d’Oxford. L'étude de ces « grand lézards fossiles » fait l'objet d'un grand intérêt dans les cercles scientifiques européens et américains, et le paléontologue anglais Richard Owen invente le terme « dinosaure » en 1842. Il remarque que les restes précédemment trouvés (Iguanodon, Megalosaurus et Hylaeosaurus) ont de nombreux caractères en commun, et décide de créer un nouveau groupe taxonomique. Avec l'aide du prince Albert de Saxe-Cobourg-Gotha, mari de la reine Victoria, il crée le Muséum d'histoire naturelle de Londres, à South Kensington (Natural History Museum), pour exposer la collection nationale de fossiles de dinosaures, ainsi quelques autres objets d'intérêt botanique et géologique.
Vulgarisateur bénéficiant de gros budgets pour faire voir et faire toucher ce qu'il croit être une reconstitution exacte, Richard Owen rend populaire sa dénomination qui atteint un apogée dans les foules curieuses vers 1890. Le naturaliste Thomas Henry Huxley propose ornithoscélidés, littéralement "à la cuisse d'oiseaux" . Hermann de Meyer préfère pachypodes c'est-à-dire " aux pieds épais". Ces dénominations ne quittent pas le cercle de lecteurs savants. Mais, après 1887, les spécialistes de sciences naturelles lassés du spectacle d'Owen, ordonnent avec rigueur les différentes familles de Saurischiens et d'Ornithischiens.
En 1858 le premier fossile de dinosaure américain est découvert, dans des marnières près de la petite ville de Haddonfield, dans le New Jersey (ce n'est pas le premier fossile de dinosaure trouvé en Amérique, mais le premier identifié comme tel). L’animal est nommé Hadrosaurus foulkii, du nom de la ville et de son découvreur : William Parker Foulke. Cette découverte est capitale car il s'agissait du premier squelette presque complet découvert, et Joseph Leidy met en évidence sans doute possible que l'animal était bipède. Jusqu’alors la plupart des scientifiques croyaient que les dinosaures marchaient à quatre pattes comme les lézards.
La découverte de l'Hadrosaurus bipède marque le début effervescent d'une chasse aux fossiles de dinosaures aux États-Unis. La lutte acharnée entre Edward Drinker Cope, amateur fortuné de géologie et de paléontologie, natif de Philadelphie et Othniel Charles Marsh, heureux new-yorkais héritier de Georges Peabody à 21 ans et prospecteur infatigable, est connue sous le nom de « guerre des os » (Bone Wars). Leur querelle irrémédiable après 1870, née d'une rivalité dans la chasse aux dinosaures démultipliée par de nombreuses brouilles dont Como Bluff, gisement mis au jour par deux ouvriers de l'Union Pacific et finalement exploité par O.C. Marsh, dure presque 30 ans, et finit en 1879 quand Cope mourut après avoir dépensé toute sa fortune dans cette quête. Marsh qui lui survécut vingt annnées sortit vainqueur, mais n'évita la ruine que grâce à l’aide financière inespérée de l’Organisation Géologique des États-Unis (United States Geological Survey). La collection de Edward Cope, auteur prolifique de plus de 1800 articles scientifiques depuis ses dix-huit ans, ce qui ne l'empêcha pas de placer la tête sur la queue d'un plésiosaure, se trouve aujourd'hui au muséum d'histoire naturelle de New York, celle de Marsh au muséum d'histoire naturelle de Peabody, à l'université Yale.
L'assistant de Cope, Charles Hazelius Sternberg aidé de ses trois fils, reprend la flambeau en entreprenant, au début du siècle suivant, des missions en Alberta, au Kansas, dans le Montana et le Wyoming. Dans ce dernier état, il relève en 1908 la première empreinte de peau momifiée de ce qui s'avère être un Anatosaurus. Une seconde découverte similaire est faite en 1910. Une partie de son équipe rejoint en 1913 Barnum Brown, qui, parfois avec son ami Henry Fairfield Osborn, prospecte depuis 1910 les berges de la Red Deer river entre l'Alberta et le Montana. Les barges des chercheurs, perturbé dans leur repérage au fil de l'eau par d'agaçants moustiques, dérivent avec le courant. Mais la moisson de trouvailles en vaut la peine : squelettes de théropodes, aratopsiens, hadrosaures...
Les chercheurs du IIe Reich annoncent la généralisation de la chasse lointaine et systématique, par leurs succès dans les colonies allemandes d'Afrique occidentale et orientale. Dans l'actuelle Tanzanie, le site de Tendaguru livre des grands sauropodes de la famille des Brachiosauridés et des petits stégosauriens genre Kentrosaurus aux paléontologues allemands. Werner Janensch supervise la collection rapatriée au musée d'histoire naturelle de Berlin. Edwin Hennig poursuit les investigations en Afrique entre 1908 et 1912.
C'est grâce à une exploration asiatique à la quête de l'origine de l'homme que le Smithsonian Institut, par l'intermédiaire de son musée d'histoire naturelle, cumule les trouvailles décisives dans le désert de Gobi entre 1922 et 1925. La mission de l'American Museum of Natural History, commandé par Roy Chapman Andrews, animée par Osborn et Granger, découvre des oeufs et des nids de Protoceratops andrewsi.
La Chine et ses confins avaient déjà attiré une expédition russe entre 1915 et 1917. Les missions russes, source de prestige, reprennent en 1946 et 1948. Les Chinois rentrent tôt dans la course et lancent leurs propres missions scientifiques après 1933. Après le refroidissement des relations sino-soviétiques, elles se cantonnent à la Mongolie. Les missions russo-mongoles et polono-mongoles se succèdent dans les années 1960 et 1970. Le Gobi est alors l'éden des chasseurs de dinosaures. Plus que les rares revues spécialisées, journaux et radio relatent les péripéties aventureuses.
La Chine investit avec force la spécialité de la paléontologie des vertébrés. Le temps du terrible dragon Kong Hong reconnu dans les entrailles de la terre et vénéré laisse la place à l'analyse scientifique. Des spécialistes de renom émergent tels C.C. Young alias Yang Zhoug-jian et le professeur Dong Zhimming qui découvrent plus de cent espèces inconnues en Chine: Sauropode Mamenchisaurus, Hadrosaure Tsintaosaurus, Prosauropode Lufengosaurus, Stegosaure Tuojiangosaurus...
La connaissance de la faune du Mésozoïque s'accroît aussi avec l'expédition franco-norvégienne du Spitzberg en 1968, les paléontologues français y sont avantagés par la connaissance préalable de cette période géologique au Sahara et en Afrique du Nord.
La recherche de fossiles s'est étendue à toute la surface du globe, y compris en Antarctique, où un Nodosaurid Ankylosaurus est découvert en 1986, sur l'île de Ross. C'est cependant en 1994 qu'un dinosaure habitant réellement l'Antarctique, Cryolophosaurus ellioti, est décrit dans un journal scientifique. Les zones particulièrement intéressantes sont aujourd'hui l'Amérique du Sud, et surtout l'Argentine et la Chine, dont le sous-sol a révélé de nombreux squelettes très bien conservés.