蝙蝠是由不会飞的哺乳动物进化而来的。在大约一亿年前，蝙蝠的祖先生活在树上，类似于狐猴或松鼠，它们可以在树枝间跳动。随着时间的推移，这些动物发生变异，其中一些个体在手臂和身体之间发展出更多的皮肤延展物，使它们能够跳得更高，从而在自然选择过程中获得更好的移动性，更易于生存和繁殖。最终，这些蝙蝠的臂部和身体之间的皮肤隔膜逐渐变宽，进化成了功能完备的翅膀。
蝙蝠的翼是由其前肢演化而来，由前肢间相连的皮肤（翼膜）构成。蝙蝠的进化史中，它们可能首先学会了在树间滑翔，然后飞上天空。蝙蝠的直系祖先尚未被发现，但现有的科学发现已经足够否定蝙蝠起源于老鼠或翼龙的说法。
蝙蝠在大约5000万年前的始新世时期首次出现在化石记录中。古生物学家已经发现了从牙齿和颚骨到完整骨骼的多种蝙蝠化石残骸。最古老的蝙蝠与现代近亲在解剖学上有所不同，例如，它们可能不具备回声定位能力，而是依赖视觉、嗅觉和触觉来寻找食物。