Trong số nhiều loài cá sấu và cá sấu khổng lồ sống ở thời tiền sử, con lớn nhất có thể là Sarcosuchus, họ hàng xa của cá sấu hiện đại sống cách đây 112 triệu năm. Trong khi một bộ xương hoàn chỉnh thì không tồn tại, ước tính dựa trên hộp sọ Sarcosuchus còn nguyên vẹn cho thấy rằng các cá thể có thể đã phát triển tổng chiều dài từ 36 đến 39 feet và nặng tới 18.000 pound.
Cá sấu, cùng với khủng long và pterosaurs, là hậu duệ của archosaurs, một nhóm bò sát thống trị Trái đất vào cuối Kỷ nguyên Cổ sinh. Trong số các loài bò sát hiện đại, cá sấu và cá sấu có thể ít thay đổi nhất so với tổ tiên tiền sử của chúng. Chúng được đặc trưng bởi hình dạng và cơ bắp của hàm và các chi tương đối thưa. Tuy nhiên, sự đa dạng của cá sấu thời tiền sử vượt xa các loại hiện đại. Những con cá sấu thật sớm nhất là những con nhỏ, chạy nước rút bằng hai chân. Một số loài cá sấu thời kỳ đầu có tấm áo giáp và một số con có sừng. Những người khác thậm chí có thể đã từng là động vật ăn cỏ. Vào đầu kỷ Jura, cá sấu chủ yếu trở thành động vật sống dưới nước với cơ thể dài, thuôn, các chi nhỏ và bộ hàm hẹp, mạnh mẽ. Giống như hậu duệ hiện đại của chúng, hầu hết những con cá sấu cổ đại này có thể cho ăn bằng cách nằm chờ những con vật mạo hiểm đến quá gần. Sự khác biệt lớn nhất giữa những con cá sấu kỷ Jura này và sự đa dạng hiện đại là kích thước phi thường của các loài động vật thời tiền sử. Những con cá sấu nước mặn hiện đại lớn nhất có chiều dài ước tính chưa bằng một nửa so với Sarcosuchus. Cùng với khủng long, những con cá sấu lớn thời tiền sử đã chết trong cuộc tuyệt chủng hàng loạt cách đây 65 triệu năm.
