合弓纲出现在3亿2千万年前的晚石炭纪，是二叠纪以及新生代始新世起的优势陆地动物，数量众多且多样化。二叠纪-三叠纪灭绝事件发生时，许多早期合弓纲消失，少数物种存活到三叠纪，而主龙类迅速成为三叠纪的优势陆地动物。合弓纲在三叠纪以后渐趋绝灭，只有一小支在恐龙时代进化成了哺乳动物，少数非哺乳的合弓纲存活到白垩纪。在白垩纪末大灭绝消灭了所有非鸟恐龙后合弓纲再次崛起并成为新生代陆地与海洋的优势物种。
在20世纪的早期，合弓纲最初被分为爬行纲中的四个亚纲其中之一，基于它们明显的颞颥孔。这些位于头部两侧的孔可使下颌肌肉附着在上面，造成更有力的咬合。原兽亚纲过去是爬行动物中逐渐演化成哺乳动物的一支，因为它们逐渐演化出哺乳类的特征，它们也称为似哺乳爬行动物。
这传统的分类持续用到80年代晚期。在90年代被亲缘分支分类法取代，这是根据共同祖先与共同祖先之所有后代的分法，只有单系群才被承认为有效的分类单元或演化支。因为合弓类演化出哺乳动物，哺乳动物被分在合弓类演化支之内。但在一般状态下，仍将合弓纲用来包含此演化支中的非哺乳纲物种。而爬行纲被蜥形纲取代，只包含无孔亚纲、双孔亚纲；调孔亚纲被认为是复系群，不再被使用。因此，似哺乳爬行动物也较少被使用。
合弓类（不包含哺乳类）通常依照演化的程度，被分为两个分类：盘龙目、兽孔目。盘龙目至少包含六科，因为演化程度较为原始而被归类在一起，因此是个非天然的并系群。盘龙目可分为卡色龙亚目、真盘龙亚目，真盘龙亚目演化出兽孔目、哺乳纲，也是一个并系群。
羊膜动物Amniota合弓纲 SYNAPSIDA (并系群) 盘龙目Pelycosauria (并系群) 卡色龙亚目Caseasauria真盘龙亚目Eupelycosauria (并系群) 蜥代龙科 Varanopidae 蛇齿龙科 Ophiacodontidae 基龙科 Edaphosauridae 楔齿龙科 Sphenacodontidae (并系群) 兽孔目Therapsida (并系群) 巴莫鳄亚目Biarmosuchia (并系群) 恐头兽亚目Dinocephalia缺齿亚目Anomodontia丽齿兽亚目Gorgonopsia兽头亚目Therocephalia犬齿兽亚目Cynodontia (并系群) Probainognathidae科 Chiniquodontoidea超科 (并系群) 哺乳纲MAMMALIA
合弓类的头颅侧面的眼窝后面，各演化出一个颞颥孔。颞颥孔可能用来让下颌肌肉附着在上面。
有些合弓动物（包括哺乳类）可能是温血动物；但早期合弓类（例如盘龙目）可能大部分是冷血动物。 盘龙目