Ornitorenk ve diğer memeliler yıllarca çok yanlış anlaşılmıştır ve haklarındaki 19. yüzyıldan kalma söylenceler bugün bile devam etmektedir. Örneğin, momotremlerin aşağı ya da yarı-sürüngen oldukları ve daha üstün plasenta memelilerin uzak kuzenleri oldukları gibi.

Günümüzde, modern monotremlerin, memeli ağacının erken bir dallanması olduğu bilinmekte, daha sonraki bir dallanmanın ise keseli (Marsupialia) ve plansentalı memelilere yöneldiği sanılmaktadır.

En eski monotrem fosilleri (Teinolophos ve Steropodon) ornitorenk’e çok benzemektedir. Steropodon fosili opalleşmiş bir çene kemiği ve üç azı dişinden oluşur. Günümüz ornitorenki ise dişsizdir ve South New Wales-Avustralya’da bulunmuştur. Fosilin 110 milyon yıl yaşında olduğu sanılmaktadır. Bu da, ornitorenk benzeri bir hayvanın Kireçlitaş döneminde (Kretase), dinozorların zamanında hayatta olması anlamına gelir. Şimdiye kadar Avustralya kıtasında bulunan en eski fosildir.

Ornitorenkin akrabası olan başka bir fosil de Arjantin’de bulunmuştur. Bu, monotremlerin, iki kıta Antarktika yoluyla birleştiği zamanlarda Avustralya’dan Güney Amerika’ya ulaştıklarını gösterir.

Bugünkü ornitorenk’e ait bilinen en eski fosil 100.000 yıllık olup Kuvaterner çağdan (Quaternary period) kalmıştır. Bilinenler çok farklı daldır.

Fosil kanıtları ayrıca ornitorenkin mesozoik çağda da varolduğunu gösterir. (kireçlitaş dönemi ve triasik ve jürasik çağları da içermektedir)

Ornitorenkin günümüzdeki hayvana nasıl evrimleştiğini açıklayan iki varsayım vardır. İlk varsayıma (B varsayımı) göre, monotremlerin akrabaları keseliler ve plesantalılardan tamamen farklı kendi evrimsel dallarını oluşturdular. Bu değişikliğin 135 milyon yıl önce, Kireçlitaş döneminin başında olduğu sanılmakta. Keseliler ve plasentalılar ise 135-65 milyon yıl önce bir noktada ayrıldılar.

İkinci varsayım 1947′de Gregory tarafında öne sürüldü ve 1970′lere kadar popüler hale gelmedi. Varsayıma göre 135-65 milyon yıl arasında plasentalılar ve keseliler kendi yollarına ayrıldılar, daha sonra da monotremler kendi yollarına gittiler.

Bu varsayımı destekleyen gozlemlerden biri keselilerin ve monotremlerin üreme organlarının birbirine çok benzemesidir. Her ikisinin de gebelikte, embriyoların bir kabukla kaplı olduğu bölümleri vardır. Tek fark, monotremler gebelik süresince bu örtülü kabuğa sahipken keselilerin sadece gebeliğin üçte ikisinde bu kabuğa sahip olmasıdır.

2004 yılında Ulusal Avustralya Üniversitesi’nden bilim adamları memelilerin çoğunda olduğu gibi iki yerine (XY) ornitorenkin 10 cinsiyet kromozomu olduğunu keşfettiler. (Örneğin: erkek ornitorenk her zaman XYXYXYXYXY dir) Dahası, ornitorenkin Y kromozomları kuşlarda bulunan ZZ/ZW cinsiyet kromozomları ile gen paylaşmaktadır. Bu yeni bulgular ornitorenkin hayvanlar âlemi içindeki eşsiz yerini daha da sağlamlaştırdı ve onu memeliler, sürüngenler ve kuşlar arasındaki evrimsel bağlantı araştırmalarının merkezi yaptı.

8 Mayıs 2008 tarihinde Nature bilimsel dergisinde yayinlanan bir makale, Ornitorenk’in memeli evrimindeki yerini kalitimsal veriler ile ortaya koymustur.