Les forment l'ordre éteint des (signifiant « presque reptiles », du grec πλησίος, plesios : « proche », et σάυρια, sauria : « lézard »), regroupant des reptiles marins qui vivait au Mésozoïque. Ce groupe fait partie des Sauroptérygiens, et inclut les plésiosaures et les pliosaures.
Ils apparurent pour la première fois dans la dernière période du Trias, peut-être à l'étage Rhaetien, il y a environ 203 millions d'années. Ils proliférèrent durant le Jurassique jusqu'à l'extinction massive qui survint à la fin du Crétacé, il y a environ . Ils avaient une distribution océanique mondiale.
Les plésiosaures ont été parmi les premiers reptiles fossiles découverts. Au début du , les scientifiques ont réalisé à quel point leur construction était distinctive et ils ont été nommés en tant qu'ordre distinct en 1835. Le premier genre de plésiosaure, l'éponyme Plesiosaurus, a été nommé en 1821. Depuis lors, plus d'une centaine d'espèces valides ont été décrit. Au début du , le nombre de découvertes a augmenté, conduisant à une meilleure compréhension de leur anatomie, de leurs relations et de leur mode de vie.
Les plésiosaures avaient un corps large et plat et une queue courte. Leurs membres s'étaient transformés en quatre longues nageoires, alimentées par de puissants muscles attachés à de larges plaques osseuses formées par la ceinture scapulaire et le bassin. Les palmes faisaient un mouvement de vol dans l'eau. Les plésiosaures respiraient de l'air et portaient des petits vivants ; il y a des indications qu'ils étaient à sang chaud.
Les plésiosaures présentaient deux types morphologiques principaux. Certaines espèces, avec la constitution « plésiosauromorphe », avaient un cou (parfois extrêmement) long et une petite tête ; ceux-ci étaient relativement lents et attrapaient de petits animaux marins. D'autres espèces, certaines atteignant une longueur de dix-sept mètres, avaient la forme « pliosauromorphe » avec un cou court et une grosse tête ; c'étaient des superprédateurs, des chasseurs rapides de grosses proies.