จากการพบซากดึกดำบรรพ์ทำให้นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานได้ว่า ผีเสื้อมีวิวัฒนาการมาจากบรรพบุรุษของแมลงในอันดับ
มีคอปเทอรา ( Mecoptera แมลงแมงป่อง ) ในช่วงยุคเพอร์เมียน (
Permian ) หรือ ประมาณ 250 ล้านปีก่อน และกลายมาเป็นผีเสื้อที่มีรูปร่างเหมือนกับที่เราพบเห็นในยุคต่อมา
ซากดึกดำบรรพ์ของผีเสื้อที่มีอายุมากที่สุดคือ 100-140 ล้านปีก่อน
ซึ่งเป็นผีเสื้อกลางคืน ส่วนซากดึกดำบรรพ์ของผีเสื้อกลางวันที่พบนั้นมีอายุเพียง
40 ล้านปีก่อนเท่านั้น นักวิทยาศาสตร์บางกลุ่มสันนิษฐานว่าผีเสื้อน่าจะเกิดขึ้นมาพร้อมๆกับการเริ่มต้นของพืชมีดอก
นั่นก็คือยุคคริเทเซียส ( Cretacous ) หรือประมาณ 135 ล้านปีก่อน
โดยเชื่อว่ามีวิวัฒนาการมาจากแมลงบางกลุ่มในยุคคาร์บอนนิเฟอรัส
(Carboniferous) และมีวิวัฒนาการมาพร้อมๆกับพืชมีดอก เนื่องจากเห็นว่าผีเสื้อมีชีวิตที่สัมพันธ์ใกล้ชิดกับพืชมีดอกมาก
โดยเฉพาะการกินน้ำหวาวที่ต้องใช้ปากที่มีลักษณะเป็นท่อวงยื่นเข้าไปในเกสรดอกไม้
อย่างไรก็ดียังไม่อาจสรุปได้แน่ชัดว่าผีเสื้อมีกำเนิดขึ้นในช่วงยุคใดเพราะหลักฐานที่พบนั้นมีน้อยเกินไป
