现有最早的花粉粒化石和叶化石证据表明被子植物是在大约1.3亿～1.35亿年前的早白垩世起源的。在较古老的白垩纪沉积中，被子植物化石记录的数量与蕨类和裸子植物的化石相形见绌。直到离今8000～9000万年的白垩纪末期，被子植物才在地球上的大部分地区占了统治的地位。只有在早白垩世的上半期阿尔必期（Albian）和阿普第期（Aptian），在北半球（北美、葡萄牙、远东）才出现了无可置疑的双子叶植物叶印痕的化石。最早的，显示原始的双子叶和单子叶特征的被子植物的单沟花粉粒是在早白垩世的巴列姆期（Barremian）出现的。可是，原始被子植物的花粉与裸子植物的花粉几乎不能分辨，从而给古老花粉化石的鉴定造成很大的困难，较进化的双子叶植物的三沟花粉是在稍年轻的阿普第期的岩层中首次报道的。 被子植物双受精过程示意
古植物学家从较古老地层中原始类型的花粉发展到年轻沉积中较为派生类型的花粉这一事实获悉，被子植物在白垩纪曾经历了一个很大的多样化过程。
到了白垩纪末的麦斯特列赫期（Maestrichtian）出现了若干现代科、属的化石花粉和叶，这包括木兰目、金缕梅目、毛茛目和山茶目以及若干单子叶植物的成员。化石花是在新生代第三纪始新世地层中找到的。
白垩纪假定为双子叶植物的木材只有少数记录，它们代表着木质部的原始类型而缺乏进化的被子植物的特征，对白垩纪时期叶化石的研究结果表明存在着一个逐渐多样化的式样，即从为现代的某些木兰目所共有的叶型过渡到与现存的蔷薇亚纲形态上相似的叶型的过程。
但F·L·S·麦尔维尔认为：20世纪70年代发现的具有和被子植物一样的封闭式胚珠的晚二叠纪化石被鉴定为舌蕨亚纲（Glossopteridae）的Glossopteris linearis和Breytenia Plumsteadiae这一事实表明，被子植物起源于二叠纪，并创立了与被子植物花的起源有关的生殖叶学说。他假定舌蕨亚纲在三叠纪早期遭到了一场毁灭性的打击后几乎全为后来占优势的Dichroidium区系所取代。从舌蕨亚纲的残余进化而来的被子植物在三叠纪的剩余部分和侏罗纪的前半期扩展缓慢，到了白垩纪才加快了速度。