Плезиозавры — это большая группа водоплавающих рептилий триасового и мелового периодов (245–144 миллиона лет назад). Две основные линии этих животных произошли от общего предка, жившего в триасе, но они сильно отличались друг от друга. Их предком, по всей видимости, был 3-метровый нотозавр (Nothosaurus) с вытянутыми зубастыми челюстями, длинной шеей, перепончатыми лапами и плавниками в верхней части длинного хвоста, обитавший у берегов и питавшийся рыбой, Плезиозавры были более приспособленными для жизни в море, но не настолько хорошо, как ихтиозавры. Представители одной из групп, эласмозавры, обладали длинной шеей и коренастым телом. Их конечности развились в плавники, при помощи которых они передвигались в воде в «летающей» манере. Рулить им помогал ромбообразный плавник на конце короткого хвоста. Они, скорее всего, ловили рыбу у поверхности океана, благодаря длинной шее быстро забрасывая голову в косяки рыбы. Так они могли поймать несколько рыб за один раз, не производя телом никаких движений.

Находка 1868 года окаменелого скелета эласмозавра (Elasmosaurus) в США послужила поводом для полемики двух соперничающих палеонтологов, Эдварда Коупа и Отниела Марша. Окаменелость описал Коуп, но он по ошибке поместил череп на конце хвоста, а не на шее. Марш публично указал ему на это, и, говорят, Коуп никогда не простил Маршу того, что он высмеял его перед общественностью.

Другая группа водных рептилий — пилозавры обладали короткой шеей и были крупнее эласмозавров. Некоторые, например кронозавр (Kronosaurus), найденный в меловых отложениях Австралии, в длину достигали 12 метров. Все они имели большие головы, до одной пятой от длины тела, и обтекаемую форму. Должно быть, они считались эквивалентом современного кашалота и охотились на предков современных гигантских кальмаров. Ихтиозавры, эласмозавры и пилозавры, по всей видимости, не составляли друг другу конкуренции, так как ловили добычу на различных глубинах древних морей.

См. также статью «Ихтиозавры».