始祖鸟完整骨架连羽毛于1861年发现于德国巴伐利亚索伦霍芬晚侏罗世的"索伦霍芬石印石灰岩"中，在同一地点至今已发现6件标本归于这个属中，可能包括两个种。始祖鸟的大小如现代的野鸡，飞翔能力可能也只能和现代野鸡相比。脑颅膨大，口内则有槽生的牙齿;脊椎骨构造十分简单，椎体为原始的双凹型，直函荐椎的所有椎骨都能自由活动;尾长，尾椎很多，羽毛在两边排成两行;胸骨小而简单，天龙骨突;前肢已发育为翅膀，但尚不十分完善，有三指，掌骨分离，关节骨完全，每指端有利爪;飞翔能力不强，只适于短距离的树间或树到地间飞行。
始祖鸟的许多构造表明它与初龙类有亲密的关系，腰带与鸟臀类有关，而肢骨构造在许多方面却与肉食的蜥臀类相似，这些都表明始祖鸟起源于三叠纪的二脚行走的槽齿类。
始祖鸟是鸟类的祖先，并生活于侏罗纪的启莫里阶，距今约1亿5千5百万到1亿5千万年前。这些标本都只在德国境内发现。
始祖鸟约为现今鸟类的中型大小，有着阔及于末端圆形的翅膀，并比体型较长的尾巴。整体而言，始祖鸟可以成长至0.5米长。它的羽毛(比起其他特征来说证据较少)与现今鸟类羽毛在结构及设计上相似。但是除了一些与鸟类相似的特征外，它有着很多兽脚亚目恐龙的特征。不像现今鸟类，始祖鸟有细小的牙齿可以用来捕猎昆虫及其他细小的无脊椎生物。始祖鸟亦有长及骨质的尾巴，及它的脚有三趾长爪，与恐龙极为相似。
由于始祖鸟有着鸟类及恐龙的特征，始祖鸟一般被认为是它们之间的连结：可能是第一种由陆地生物转变成鸟类的生物。于1970年代，约翰•奥斯特伦姆指鸟类是由兽脚亚目恐龙演化而来，而始祖鸟就是当中最重要的证据。它保有一些鸟类的特征，例如叉骨、羽毛、翅膀及部份相反的首趾。它亦有一些恐龙特征，例如长的距骨升突、齿间板、坐骨突及人字形的长尾巴。奥斯特伦姆亦发现始祖鸟与驰龙科很显著地相似。
始祖鸟的首个遗骸是在达尔文发表《物种起源》之后两年的1862年发现。始祖鸟的发现似乎确认了达尔文的理论，并从此成为恐龙与鸟类之间的关系、过渡性化石及演化的重要证据。事实上，在戈壁沙漠及中国就恐龙的进深研究提供了更多证据有关始祖鸟与恐龙的关系，例如长有羽毛的恐龙。始祖鸟较接近现今鸟类的祖先，因它有着很多鸟类的特征;因它与当时鸟类的分歧程度仍有疑义。
始祖鸟的标本最值得注意的是它那已发展的飞羽。它们是不对称的及有着现今鸟类飞羽的结构，翼片由羽支—小羽枝—羽纤支的排列来提供平衡。尾巴羽毛则较小不对称，且与现今鸟类相似及有着坚固的翼片。拇指却没有独立的小翼羽。
始祖鸟的体羽并没有很多资料，而当中只有柏林标本曾被适当的研究。由于涉及多个物种，只有柏林标本的研究则并不能完全代表所有始祖鸟的品种。柏林标本在脚上有已发展的羽毛，这些羽毛只显示了基本的轮廓，而有些则已被分解了(就像平胸总目缺乏羽纤支)，但就部份而言是坚实的及可以支撑飞行。
但其背部有一缀正羽，与现今鸟类体羽的正羽一样成对称及坚实，但却不及与飞行有关的羽毛硬。除此之外，柏林标本的羽毛就像中华龙鸟的一样，出现分解及绒毛现象，而其在生时较似毛皮多于羽毛(但在显微镜下的结构并不是)。在身体的其他部份(只限于保存下来及没有重组的部份)，及低颈部亦出现同样情况。
始祖鸟在上颈部及头部并没有显示有羽毛。虽然这可能以为它的头部是裸的，就像其近亲的长有羽毛的恐龙一样，但是这可能是因保存时所造成的。大部分始祖鸟标本都是在经过一些时间在海面上漂浮而嵌入在缺氧的泥沙中，它的头颈部及尾巴一般都是长下倾。当嵌入后开始腐化时，筋腱及肌肉已经放松形成了化石标本的形状。即是皮肤已经软化及松开，有些标本的飞羽在嵌入开始时已经分开。所以有假说指标本在浅水处沿海床移动一些时间才被埋葬，头部及上颈部羽毛脱落，而较坚实的尾巴羽毛则仍然保存。
始祖鸟在讨论有关鸟类起源及演化上仍然占有重要的地位。一些科学家视它为半攀树动物，这是因鸟类是由树上居住的动物演化而来的观念(即奥塞内尔•查利斯•马什所建议的“飞行是因树木倒下演化而来”的假说)。其他科学家则视始祖鸟为在地上快跑的动物，是因认为鸟类是由奔跑演化成飞行(即赛缪尔•威利斯顿建议的由陆地而上的假说)。仍有其他的建议始祖鸟可能是同时住在树上及陆地上，就像现今的乌鸦，而这个建议是在形态学上最为受到支持的。综合来说，始祖鸟是一种并非专门在陆地上奔跑或暂住的动物。考虑已知有关飞行的形态，始祖鸟被认为主要是利用翅膀来逃避捕猎者，如在浅水面上滑行到达安全的地方，或是由峭壁或树梢俯冲至更远的地方等。
已知兽脚亚目有几个血统独立地演化成羽毛及飞行，而始祖鸟的祖先是否懂得飞行已经失去了重要性。由于始祖鸟似乎是属于与今鸟亚纲没有关系的鸟类血统，它的飞行能力可能仍是讨论的焦点，但却并非就现今鸟类祖先所讨论的项目。
始祖鸟划到鸟类家族中，主要是因为它的羽毛。我们用肉眼观察一根羽毛时，看到的是一条中空的茎的两边伸展出排列整齐的“毛发”，似乎结构很简单。只有当我们把羽毛拿到显微镜下观察时，我们才发现，每一条细小的“毛发”上面，还有许多复杂的结构，枝杈纵横，并且有钩状物相连。这是鸟类的羽毛才有的特征。所以，确定一块化石是否属于鸟类的，要从显微结构上看化石上是否有鸟类羽毛独特的细微结构。始祖鸟的羽毛展现出了这些细微的特征，因此理所当然地成为鸟类家族的成员，甚至有人说它就是现代所有鸟类的老祖宗。
但是可以从其骨骼里辨认爬行类具有的特征。例如:结构轻巧的头颅在颚上的凹窝里有真正的齿;胸骨很小，没有龙骨，前肢骨骼仍保留3个有作用的指，而没有其它鸟类所有的退化和融合。已演化的后肢带还具有明显的恐龙特点，具有长的骨质尾。其它非特片化的鸟类特征有扁平的脊椎，腹肋条，以及下腿骨的不完全融合。与5块已知骨骼相连接的羽毛印模表明这个生物是鸟。
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