A denevérek rendjének vonatkozásában világszerte kevés a fosszilis lelet. Az ismert kihalt denevérfajok és a ma élő denevérek aránya más emlőscsoportokéhoz képest alacsony. (A fő probléma az, hogy az előkerült leletekben többnyire csak az állkapocscsontok maradtak meg felismerhetően.) Egy régebbi adat szerint fosszíliaként 132 denevérfajt találtak meg, ebből 92 ma is létező, míg a negyven kihalt harminc genusba és tizenegy családba sorolható. Ilyen kisszámú lelet alapján a denevérek származásáról, a denevérfajok kialakulásáról meglehetősen kevés tényszerű megállapítást tehetünk, főleg elméletekre kell támaszkodnunk.
Azzal nagyjából mindenki egyetért, hogy a denevérek rovarevő, nem repülő, viszont jól mászó, fán lakó elődökből fejlődtek ki, de a feltételezett ősről nincsenek közelebbi ismereteink. Az elenyésző mennyiségű fosszilis anyag arra utal, hogy az ősök már korán aktívan repülő denevérekké alakultak át. Olyan lelet azonban nem került elő, amely a ma élő denevérek és a feltételezett, még nem repülő élőlény közötti átmenetet mutatná meg.
A denevérek kialakulásának feltételezett időpontja meglehetősen tág határok között mozog. A már repülő, ultrahanggal tájékozódó denevérek megjelenése 100–65 millió évvel ezelőttre tehető (a kora paleocén és késő kréta közötti időszakra). Ez azt jelenti, hogy a denevérek valószínűleg együtt éltek a dinoszauruszokkal, sőt végignézték kihalásukat is.
A különböző fajok létrejöttének időpontjával kapcsolatosan először is meg kell jegyeznünk, hogy egy új faj kialakulásának mozgatórugója mindig a megváltozott környezet. A denevérek megjelenését feltehetőleg a virágos növények elterjedésével párhuzamosan gazdagodó rovarvilág eredményezte. A rovarok sok helyet benépesítettek a kréta időszak végéig, s ekkor kezdtek jellemzővé válni a velük táplálkozó különböző denevérfajok is.
Az első ősmadár, az Archeopteryx már a kréta korai szakaszában, körülbelül 135 millió éve megjelent, így a denevérek feltűnésekor a madarak már elterjedtek. A kréta késői időszakában a madarak egyrészt komoly vetélytársai lehettek a denevéreknek a potenciális táplálékforrásból való részesedés tekintetében, másrészt a denevérek zsákmányul is szolgálhattak a madarak számára. Ennek az erős szelekciós nyomásnak a hatására az első igazi denevérek valószínűleg már éjjel vadásztak, amit az is erősíthetett, hogy őseik feltehetőleg éjszakai életmódú emlősök voltak.
A rovarok zsákmányolását a repülés képessége nagymértékben megkönnyíti. Az ősdenevérek valószínűleg először csak fáról fára ugráltak, így fejlődhetett ki később az a kezdetleges szárnyhártya, amely ma a bőrszárnyúaknál, például a maláj repülőmakinál (Cynocephalus variegatus) figyelhető meg. Ilyen bőrlebeny párhuzamosan több állatcsoportban is kialakult: a hüllők között a repülőgyíkoknál, az erszényesek esetében az erszényes mókusnál. Valószínűleg a bőrhártya kifejlődését követően nyúltak meg a kézközépcsontok, amelyek közé a szárnyfelületet megnövelő, az aktív repülést és a pontos manőverezést lehetővé tevő vitorla feszült ki. A repülés képessége a vadászat során hatalmas előnyt jelentett, emellett védelmet nyújtott a földfelszín ragadozói ellen. Nem elhanyagolható tényező, hogy az egyik fáról a másikra való átsiklás jóval kevesebb energiát igényel, mint a törzseken való le és fel mászás.
A kisdenevérek bonyolult ultrahangos rendszere valószínűleg a repüléssel párhuzamosan fejlődött ki, így válhatott lehetségessé az orientálódás és a manőverezőképesség kifinomult összehangolása. A denevérek nem repülő ősei vélhetően szintén kibocsátottak magas frekvenciájú hangokat, ez azonban az ultrahangos tájékozódásnak csak nagyon kezdetleges formájaként képzelhető el. A 45 millió éve élt Palaeochiroptera tupaidon fosszilis koponyáinak belsejét tanulmányozva már jól fejlett tájékozódási rendszerre utaló nyomokat találtak.
Összegezve elmondhatjuk, hogy a feltételezett „denevérős” egy fán lakó, nem repülő, de jól mászó, rovarevő, egyszerűbb magas frekvenciájú hangok kiadására képes, éjszakai életmódot folytató kisméretű emlős lehetett.