La ascendencia y las relaciones evolutivas de los deinoterios siguen siendo oscuras. Se cree que están emparentados con los bariterios, debido a las similitudes en la estructura de los dientes. Es evidente que se separaron del resto de los proboscídeos en una fecha muy temprana. En la década de 1970, varios investigadores los situaron en un orden distinto al de los Proboscidea, pero este punto de vista no se sigue en la actualidad.

El deinótido más antiguo que se conoce es Chilgatherium harrisi, del Oligoceno tardío. Sus restos fósiles se han encontrado en el distrito de Chilga en Etiopía (de ahí su nombre). Esto indica que, al igual que otros proboscídeos, los deinoterios evolucionaron en África. Chilgatherium era bastante pequeño, a medio camino entre un gran cerdo y un pequeño hipopótamo.

A principios del Mioceno, los deinoterios habían crecido hasta el tamaño de un pequeño elefante y habían emigrado a Eurasia. Se conocen varias especies, todas ellas pertenecientes al género Prodeinotherium.

Durante el Mioceno medio tardío, estos proboscídeos de tamaño modesto fueron reemplazados por formas mucho más grandes en toda Eurasia. En Europa, Prodeinotherium bavaricum apareció en la zona faunística de mamíferos MN 4 del Mioceno temprano, pero pronto fue sustituido por Deinotherium giganteum en el Mioceno medio. Del mismo modo, en Asia, el Prodeinotherium se conoce en los estratos del Mioceno temprano en las colinas de Bugti, y continuó en la formación Chinji del Mioceno medio, donde fue reemplazado por el D. indicum.

Aunque estos deinoterios del Mioceno se dispersaron ampliamente y evolucionaron hasta alcanzar el tamaño de un enorme elefante, no eran tan comunes como los Euelephantoidea contemporáneos (pero más pequeños). Se conocen restos fósiles de esta época en Francia, Alemania, Grecia, Malta y el norte de la India y Pakistán. Consisten principalmente en dientes y huesos del cráneo.

Después de la extinción de los indricoterios a finales del Mioceno temprano, los deinoterios fueron (y siguieron siendo) los animales más grandes que caminaban por la Tierra.

El Mioceno tardío fue el apogeo de los deinoterios gigantes. D. giganteum era común en las localidades vallesanas y turolianas de Europa. Prodeinotherium, que estaba razonablemente bien representado en el Mioceno temprano de África, fue sucedido por D. bozasi a principios del Mioceno tardío. Y en Asia, D. indicum era más común en la formación Dhok Pathan del Mioceno tardío.

Los dientes fósiles de D. giganteum, procedentes de la formación Sinap del Mioceno tardío en el yacimiento turco de Kayadibi, son más grandes que los de localidades más antiguas, como Eppelsheim, Wissberg y Montredon, lo que indica una tendencia al aumento de tamaño de los miembros de la especie a lo largo del tiempo. Eran los animales más grandes de su época, protegidos tanto de los depredadores como de los herbívoros rivales gracias a su enorme volumen. Los mamuts más grandes no se acercaron a ellos en tamaño hasta el Pleistoceno.

Con el final del Mioceno, la fortuna de los deinóteros declinó. D. indicum se extinguió hace unos 7 millones de años, posiblemente empujado a la extinción por el mismo proceso de cambio climático que había eliminado previamente al aún más enorme Indricotherium. Mientras que en Europa, D. giganteum continuó, aunque con un número cada vez menor, hasta el Plioceno medio; el espécimen más reciente procede de Rumanía.

En su tierra natal africana, el Deinotherium continuó floreciendo a lo largo del Plioceno, y se han descubierto fósiles en varios de los yacimientos africanos en los que también se han encontrado restos de homínidos.

La última especie de deinothere que se extinguió fue D. bozasi. Los ejemplares más jóvenes que se conocen proceden de la Formación Kanjera, en Kenia, hace aproximadamente 1 millón de años (principios del Pleistoceno). Se desconocen las causas de la extinción de un animal tan exitoso y longevo, aunque un pequeño número de otras especies de megafauna africana también se extinguió en esa época.