El [[fósil]] más antiguo descubierto de ornitorrinco moderno data de hace unos 100.000 años, durante el período [[Pleistoceno]]. Los monotremas [[Extinción|extintos]] (''[[Teinolophos]]'' y ''[[Steropodon]]'') estaban estrechamente relacionados con el ornitorrinco moderno.<ref name="JM" /> Un ''Steropodon'' fosilizado fue descubierto en [[Nueva Gales del Sur]], consistente en un maxilar inferior opalizado con tres dientes [[Molar|molares]] (mientras que el ornitorrinco adulto moderno carece de dientes). Inicialmente se creyó que los molares eran [[Nutrición de los mamíferos|tribosfénicos]], cosa que habría apoyado una variación de la teoría de Gregory, pero investigaciones posteriores sugirieron que, a pesar de tener tres cúspides, evolucionaron en un proceso separado.<ref name="MS" /> Se cree que el fósil tiene unos 110 millones de años de antigüedad, lo que significa que este animal parecido al ornitorrinco vivía en el período [[Cretácico]], lo que lo convierte en el fósil de [[Mammalia|mamífero]] más antiguo descubierto en [[Australia]]. ''[[Monotrematum sudamericanum]]'', otro pariente fósil del ornitorrinco, fue descubierto en [[Argentina]], lo que indica que los monotremas estaban presentes en el [[supercontinente]] de [[Gondwana]] cuando los continentes de [[Sudamérica]] y [[Australia]] estaban unidos vía la [[Antártida]].<ref name="MS" /><ref name="patagonia">{{cita web |url=http://www.parks.tas.gov.au/file.aspx?id=6555 |título=Gondwana |editorial=Parks and Wildlife Service Tasmania |año=2003| fechaacceso = 21 de junio de 2009 | idioma = inglés |formato = [[PDF]]}}</ref>
Debido a la divergencia temprana de los mamíferos [[Theria|terios]] y el rreducido número de especies vivientes de [[Monotremata|monotremas]], el ornitorrinco es un importante y frecuente sujeto de estudio en el campo de la [[biología evolutiva]]. En 2004 investigadores de la [[Universidad Nacional de Australia]] descubrieron que el ornitorrinco tiene [[Sistema de determinación de sexo|diez cromosomas sexuales]], en contraste con los dos (XY) de la mayoría de los mamíferos (por ejemplo, un ornitorrinco macho siempre será XYXYXYXYXY).<ref name="discover">{{cita web |url=http://discovermagazine.com/2005/apr/sex-ys-platypuses0425/ |título=Sex, Ys, and Platypuses |editorial=Discover |autor=Jocelyn Selim |fecha= 25 de abril de 2005| fechaacceso = 20 de junio de 2009 | idioma = inglés}}</ref> A pesar de que se les da la designación XY de los mamíferos, los [[cromosoma]]s sexuales del ornitorrinco son más similares a los cromosomas sexuales ZZ/ZW de las [[aves]]. El [[genoma]] del ornitorrinco también tiene [[gen]]es tanto reptilianos como mamiferoides asociados con la fertilización de los huevos.<ref name="draft_genome">{{cita publicación | publicación = [[Nature]] | volumen = 453| número = 7192| páginas = 175–183| título = Genome analysis of the platypus reveals unique signatures of evolution| fecha = 8 de mayo de 2008| url=http://www.nature.com/nature/journal/v453/n7192/pdf/nature06936.pdf | formato=[[PDF]] | doi = 10.1038/nature06936| autor = Wesley C. Warren ''et al.''| idioma = inglés | fuenteprofano=Documental de Nature (en inglés) | resumenprofano=http://www.nature.com/nature/videoarchive/platypusgenome/}}</ref> Dado que carece del gen [[SRY]] que determina el sexo en los mamíferos, todavía no se conoce el proceso de determinación del sexo del ornitorrinco.<ref>{{cita web | url=http://www.truthinscience.org.uk/site/content/view/274/65/ | título = Platypus: a Darwinian Cautionary Tale | fecha=7 de julio de 2008 |editorial=Truth in Science | fechaacceso = 21 de junio de 2009| idioma = inglés}}</ref><ref>{{cita web |url=http://web.archive.org/web/20071214093702/http://pre.ensembl.org/Ornithorhynchus_anatinus/index.html |título=Explore the Platypus genome |editorial=Ensembl |año=2006| fechaacceso = 21 de junio de 2009| idioma = inglés}}</ref> El 8 de mayo del 2008 se publicó una versión preliminar de la secuencia genómica del ornitorrinco en la revista ''[[Nature]]'', que mostraba elementos tanto de reptiles como de mamíferos, así como dos genes que anteriormente sólo se habían descubierto en [[aves]], [[Amphibia|anfibios]] y [[Pez|peces]]. El estudio encontró que más del 80% de los genes del ornitorrinco son comunes a los mamíferos de los que se han secuenciado los genes, y que el genoma del ornitorrinco, como el animal en sí, es una amalgama de ancestros reptilianos y características derivadas de los mamíferos.<ref name="draft_genome" />
