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早在數千年前，人類就已發現恐龍的化石，但當時並不曉得這些石頭的真實面目。古代中國人將恐龍化石認為是中國神話中的龍骨頭，可當作中醫的藥材[2]。例如在東晉時期成書的《華陽國志》中，作者常璩便記錄到，四川武城曾經發現龍的骨頭[3]。在歐洲，恐龍化石則被認為是神話中的巨人遺骸，或是大洪水時期前的大型動物。居住於古代中亞地區的西徐安人，可能將當地發現的原角龍化石，描述成獅子身體、大型爪、以及鷹頭，且守衛黃金的生物，成為獅鷲的形象來源[4]。
1676年，英國牛津市附近的Cornwell的一處石灰岩採石場出土了一個骨頭化石。牛津大學的教授羅伯特‧普勞特研究後，認為是一隻大型動物的股骨最下端。波爾蒂認為這些骨頭過大，所以並不屬於當時任何已知物種，而是來自於某種巨大人類的大腿骨。這些骨頭之後就遺失了，但留下了詳細的敘述[5]。1824年，牛津大學的地質學家威廉·布克蘭將其命名為斑龍[6]。
1699年，Edward Lhuyd在牛津市近郊發現一顆牙齒化石，命名為Rutellum implicatum[7][8]。在2002年，科學家發現這顆牙齒屬於蜥腳下目恐龍[9]。
1822年，英國動物學家吉迪恩·曼特爾在薩塞克斯郡採石場找到了幾顆巨大的牙齒，並認為這些化石與鬣蜥有類似處。此後他又先後發現了31具帶着牙齒的骨骼化石，經過拼湊進行了復原，並在1825年建立了禽龍屬（Iguanodon）[10][11]。1842年，英國古生物學家理查·歐文認為斑龍、禽龍、林龍等物種具有許多明顯共同特徵，因此建立Dinosauria一詞，以包含這三個屬。
1858年，北美洲正式發現第一個恐龍化石。早在1838年，紐澤西州哈登菲爾德鎮的一個泥灰坑挖出大型的骨頭，直到20年後，化石收藏家威廉·帕克·佛克（William Parker Foulke）在當地挖出更多的化石，並由古生物學家約瑟夫·萊迪命名為鴨嘴龍。這副鴨嘴龍標本是首次發現的接近完整恐龍化石，也顯示牠們是種二足動物，在此之前，大部分科學家認為恐龍是群類似蜥蜴的四足動物。佛克發現的鴨嘴龍標本，開啟了美國的恐龍狂潮。在19世紀後期的恐龍狂潮中，奧塞內爾·查利斯·馬什與愛德華·德林克·科普間有激烈的競爭，兩人競相發現新的恐龍，這段著名的競爭稱為化石戰爭。許多恐龍標本，因為兩人的粗略挖掘與處理步驟，而遭到損毀或破壞，例如採用火藥來挖掘化石。儘管如此，他們的貢獻卻非常巨大，馬什命名了86個恐龍的新種，科普則命名了56個，共計142個新種恐龍。馬什發現的化石存放於耶魯大學的皮博迪自然史博物館，科普的化石則存放在紐約的美國自然歷史博物館[12]。
1861年，德國南部的索倫霍芬石灰岩礦床中發現了始祖鳥化石，是第一個所謂的「有羽毛恐龍」。始祖鳥是個過渡化石，明顯具有現代爬蟲類與鳥類的中間特徵。這種早期鳥類非常像恐龍，至少有一個標本，因為周圍沒有明確的羽毛痕跡，而被誤認為是美頜龍[13]。
1878年，比利時貝尼沙特發現了31個禽龍化石，可能是洪水所造成的集體死亡，這是恐龍群居行為的第一個證據[14]。
1907年，非洲坦尙尼亞境內的坦德古魯地區出土了巨大的骸骨，被命名為長頸巨龍。1908至1912年間，柏林自然史博物館的艾德文·亨尼希和韋爾納·亞南施來到這裏探勘，又挖掘出一隻腕龍屬的巨大恐龍，以及一隻劍龍屬的肯特龍骸骨。
1922至1925年間，美國自然史博物館的工作隊在蒙古戈壁考察，也發現了恐龍骸骨。[15]1971年，在蒙古戈壁沙漠發現了一個極為著名的化石標本，一隻伶盜龍正在攻擊一隻原角龍[16]，這是恐龍會獵食其他恐龍的直接證據[17]。
1986年南極州的羅斯島上發現了第一個恐龍化石，來自南極甲龍；但在1994年，獸腳亞目的冰脊龍首先在科學期刊中被正式命名、敘述，成為第一個被命名的南極洲恐龍。
1998年，意大利一處石灰岩地層出土了幼年棒爪龍化石，保存了極為良好的軟組織痕跡，包含部份氣管、小腸、結腸、肝臟及肌肉[18]。1999年，美國北達科他州發現了一具保存完好的恐龍木乃伊，它保存了大部分外皮組織、肌肉、肌腱乃至消化系統內的食物[19]。
目前的主要新化石挖掘處，多是在過去沒被探索過的區域，例如：印度、南美洲、馬達加斯加、南極洲、尤其是中國，大部分的新發現有羽毛恐龍多出自於中國，因為當時的乾燥氣候有助於保存化石與化石化的過程。
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全球各大洲均發現有恐龍化石。美國西部的猶他州和科羅拉多一帶，盛產侏羅紀晚期的恐龍化石，被稱為「恐龍三角區」。著名的雷龍、梁龍、劍龍和躍龍都是在此發現的。加拿大西部的阿爾伯達省走大量白堊紀晚期的恐龍化石，包括霸王龍、鴨嘴龍、甲龍、角龍等化石。蒙古是白堊紀早期到晚期恐龍化石的重要產地。非洲東部坦桑尼亞的坦達古魯產侏羅紀晚期的恐龍化石。[20]
恐龍化石是研究恐龍的基礎。最熟悉的恐龍化石如牙齒和骨骼的化石被稱為體軀化石；而恐龍的遺蹟如糞化石、蛋化石、足跡化石、胃石等也有可能形成化石保存下來，被稱為生痕化石。[18]
一般而言，只有很小比例的恐龍最後會成為化石保存下來，況且絕大部分的化石都仍埋藏於地底。只有極少數的已被發現的樣本保留有完整的骨骼，而其中保存有皮膚和其他軟組織痕跡的則更為稀有。藉由比較不同骨頭的大小與型態，來重建一副完整的骨架，是一個複雜的過程，而重塑肌肉和器官則更為困難。親緣分支分類法是以不同生物的特徵來確定彼此關係，被成功地應用在恐龍的分類上。親緣分支分類法與其他現代科學方法，有助於解決不完整、破碎化石所產生的許多疑點。
恐龍的糞化石顯示，白堊紀晚期的大部分草食性恐龍仍以裸子植物為食，只有少部分以開花植物為食。
蜥腳類恐龍的化石，大部分發現於過去為乾旱或季節性乾旱的地層中，牠們可以大量、低營養價值的植物為食，以在這些環境中維持生存[21]。
自從19世紀早期，第一批恐龍化石被科學方法鑑定後，重建的恐龍骨架已成為全球各地博物館的主要展覽品。英國古生物學家理查·歐文在維多利亞女王的丈夫艾伯特親王的支持下，在倫敦南肯辛頓建立了自然歷史博物館，以展出英國的恐龍與其他動物的化石。
德國柏林洪堡博物館展放着長頸巨龍的骨架模型，是從多具大小相近的個體組合而成的。該模型高12米，長22.5米，預期活體的重量在30到60公噸之間，被認為是最高和最重的恐龍。[22]
美國賓夕法尼亞州匹茲堡的卡內基自然歷史博物館展放有1907年在懷俄明州發現的梁龍，有27米長。
中國四川的自貢恐龍博物館是中國第一所現代化的專業性恐龍博物館，展出的恐龍化石包括了3個綱、11個目、15個科的屬種[23]。
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