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关于“猫头鹰”的化石，到目前为止第一个可靠的记录是距令大约为6000—4000万年的始新世，比隼形目猛禽更为古老。也有人推测“猫头鹰”发生的时间比这还要早，可能是在距今7000—6000万年前的古新世，甚至更早到中生代的后期，但现有的资料还不能充分地说明中生代“猫头鹰”的早期进化过程，也不能确定其祖先到底是哪一种鸟类。
在中生代白垩纪末期时，开花植物已经占统治地位，动物中的大型恐龙也将近灭绝，就在此时出现了可能是 形目祖先的一种鸟类，发现于罗马尼亚境内的上白垩纪淤积层中。它在1913年曾被鉴定为鹈鹕目的种类，但最近重新进行的研究结果表明，这个化石标本具有许多“猫头鹰”的特征。如果这个新的见解可以成立，那么它就是目前已知的最早的“猫头鹰”的祖先。
到距今300—1万年前的第四纪更新世，气候大大变冷，世界进入了冰川时期，但这一段时间寒冷的气候并未完全笼罩全球，使地球变成一个大冰砣。实际上，很多地区并没有遭受冰川的袭击，即使受到影响的地区也是常常是冷暖交替的。这个地质年代阶段的鸟类化石记录明显增多，共有46种“猫头鹰”的化石在世界各地发现，其中15种已经灭绝，而大部分种类都延续至今，说明这时“猫头鹰”开始进行适应辐射，分化为大量的不同种，并且向全世界扩散。这个时期近代哺乳动物的多样性已经确立，在新出现的草原和森林里，
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