Os pelicossauros surgiram no período Carbonífero e desapareceram ao final do período Permiano, quando houve o maior evento de extinção da história da Terra. Chegaram a existir algumas famílias. Destacam-se Edaphosauridae, mais antiga, formada basicamente por animais herbívoros e Sphenacodontidae, mais recente, formada basicamente por animais carnívoros. Alguns representantes de ambas as famílias tinham uma curiosa estrutura em forma de vela nas costas, consistindo de espinhas dorsais muito compridas. Acredita-se que essa estrutura tinha função termoregulatória: os raios de Sol aqueceriam o sangue circulante nessa vela, permitindo aos animais uma adaptação melhor ao ambiente. Seria uma das primeiras tentativas de homeotermia conhecidas.

Os pelicossauros tinham também algumas características físicas que ainda podem ser percebidas nos mamíferos: um princípio de heterodontia (dentes diferentes, adaptados a funções diferentes) e uma rotação dos ossos das patas para uma posição mais vertical sob o corpo, com os cotovelos voltados para trás e os joelhos voltados para a frente, da mesma forma como nos mamíferos atuais.