Ewolucja Ryby promieniopłetwe pojawiły się w wodach słodkich w późnym sylurze, około 420 mln lat temu. Najstarsze z odkrytych gatunków to Andreolepis hedei i Lophosteus superbus. Kompletny szkielet ryby zaliczonej do promieniopłetwych odkryto w skałach z wczesnego dewonu. W karbonie zdominowały wody śródlądowe, a niektóre formy (prawieczkokształtne) przystosowały się do życia w morzach, które w triasie stały się głównym ośrodkiem ich rozwoju. Podczas gdy większość kostnochrzęstnych żyła w erze paleozoicznej i triasie, Neopterygii, choć znane już od końca permu najburzliwszy okres różnicowania przechodziły w triasie i jurze. Właśnie wówczas zaznaczyła się tendencja do redukcji liczby, grubości i wielkości łusek. Zaistniałe zmiany Neopterygii przyczyniły się do usprawnienia płetw (stąd nazwa Neopterygii i postulowana polska nazwa „nowopłetwe”). Płetwa ogonowa staje się symetryczna (w przeciwieństwie do heterocerkicznej u kostnochrzęstnych) i wykształca się skostniały kręgosłup. Gatunki zaliczane tradycyjnie do przejściowców (jak amia i niszczuka) są obecnie coraz częściej uznawane za prymitywne formy Neopterygii.
W mezozoiku i kenozoiku promieniopłetwe rozwijały się z rosnącym powodzeniem.