L’ascendance et les relations évolutives des déinothères restent obscures. On pense qu’ils sont apparentés aux barythres, en raison de similitudes dans la structure des dents. Ils ont clairement divergé du reste des proboscidiens à une date très précoce. Dans les années 1970, plusieurs chercheurs les ont placés dans un ordre distinct des Proboscidea, mais ce point de vue n’est plus suivi de nos jours.

La plus ancienne déinothère connue est Chilgatherium harrisi de la fin de l’Oligocène. Ses restes fossiles ont été trouvés dans le district de Chilga en Éthiopie (d’où son nom). Cela indique que, comme les autres proboscidiens, les déinothères ont évolué en Afrique. Le Chilgatherium était assez petit, à mi-chemin entre un gros cochon et un petit hippopotame en termes de taille.

Au début du Miocène, les déinothères avaient atteint la taille d’un petit éléphant et avaient migré vers l’Eurasie. Plusieurs espèces sont connues, toutes appartenant au genre Prodeinotherium.

A la fin du Miocène moyen, ces proboscidiens de taille modeste ont été remplacés par des formes beaucoup plus grandes à travers l’Eurasie. En Europe, Prodeinotherium bavaricum est apparu dans la zone de faune mammalienne du Miocène précoce MN 4, mais a été rapidement remplacé par Deinotherium giganteum au Miocène moyen. De même, en Asie, Prodeinotherium est connu à partir des strates du Miocène précoce dans les collines de Bugti, et a continué jusqu’à la formation de Chinji du Miocène moyen, où il a été remplacé par D. indicum.

Alors que ces déinothères du Miocène étaient largement dispersés et ont évolué vers une taille d’éléphant énorme, ils n’étaient pas aussi communs que les Euelephantoidea contemporains (mais plus petits). Des restes fossiles de cet âge sont connus en France, en Allemagne, en Grèce, à Malte, dans le nord de l’Inde et au Pakistan. Il s’agit principalement de dents et d’os du crâne.

Après l’extinction des indricothères à la fin du Miocène précoce, les déinothères étaient (et sont restés) les plus grands animaux marchant sur la Terre.

La fin du Miocène a été l’apogée des déinothères géants. D. giganteum était commun à partir de localités du Vallesien et du Turolien en Europe. Prodeinotherium, qui était raisonnablement bien représenté au Miocène précoce d’Afrique, a été remplacé par D. bozasi au début du Miocène tardif. Et en Asie, D. indicum était le plus commun dans la formation Dhok Pathan du Miocène tardif.

Les dents fossiles de D. giganteum, provenant de la formation Sinap du Miocène tardif sur le site turc de Kayadibi, sont plus grandes que celles de localités plus anciennes, comme Eppelsheim, Wissberg et Montredon, ce qui indique une tendance à l’augmentation de la taille des membres de l’espèce au fil du temps. Il s’agissait des plus grands animaux de leur époque, protégés des prédateurs et des herbivores rivaux grâce à leur énorme masse. Les plus grands mammouths ne les ont pas approchés en taille avant le Pléistocène.

Avec la fin du Miocène, la fortune des déinothères a décliné. D. indicum s’est éteint il y a environ 7 millions d’années, probablement poussé à l’extinction par le même processus de changement climatique qui avait précédemment éliminé l’Indricotherium, encore plus énorme. Tandis qu’en Europe, D. giganteum a continué, bien qu’avec un nombre décroissant, jusqu’au Pliocène moyen ; le spécimen le plus récent provient de Roumanie.

Dans sa patrie africaine d’origine, Deinotherium a continué à prospérer tout au long du Pliocène, et des fossiles ont été découverts sur plusieurs des sites africains où des restes d’hominidés ont également été trouvés.

La dernière espèce de déinothère à s’éteindre était D. bozasi. Les plus jeunes spécimens connus proviennent de la formation de Kanjera, au Kenya, il y a environ 1 million d’années (pléistocène précoce). Les causes de l’extinction d’un animal aussi performant et longévif ne sont pas connues, bien qu’un petit nombre d’autres espèces de mégafaune africaine se soient également éteintes à cette époque.