卡色龙类的祖先，可回溯至石炭纪晚期（宾夕法尼亚纪）的某种外表类似蜥蜴的食虫性或杂食性合弓动物，例如始祖单弓兽（已知年代最早的合弓类动物）。在早二叠纪的末期，卡色龙类是大量且成功的动物。到了中二叠纪，更为先进、成功的兽孔目动物的出现，而导致卡色龙类数量变少，最后灭绝，它们没有存活到晚二叠纪。

合弓纲的早期物种，目前很难建立明确的种系发生学分析，包含卡色龙亚目。在一个1983年的研究中，蜥代龙科被归类于卡色龙亚目，而卡色龙亚目是合弓纲的最原始旁支。数年后，蜥代龙科被移除于卡色龙亚目，被归类到更衍化的位置。大部分研究根据头颅骨特徵，而将卡色龙亚目视为合弓纲的最原始物种之一。在2012年，R.J. Benson提出不同看法，他根据身体骨骼特徵，而非头颅骨特徵，而将蛇齿龙科、蜥代龙科是最原始的合弓类动物，而卡色龙类位于更衍化的位置。