De afstamming en evolutionaire verwantschappen van de deinotheres blijven onduidelijk. Men denkt dat ze verwant zijn aan de barytheres, vanwege overeenkomsten in de structuur van de tanden. Zij divergeerden duidelijk van de rest van de proboscideën op een zeer vroege datum. In de jaren 1970 plaatsten verschillende onderzoekers ze in een aparte orde van de Proboscidea, maar deze opvatting wordt tegenwoordig niet meer gevolgd.

De oudst bekende deinothere is Chilgatherium harrisi uit het late Oligoceen. Zijn fossiele resten zijn gevonden in het district Chilga in Ethiopië (vandaar de naam). Dit wijst erop dat de deinotheres, net als andere proboscideën, in Afrika zijn geëvolueerd. Chilgatherium was vrij klein, ongeveer halverwege tussen een groot varken en een klein nijlpaard in grootte.

Tegen het vroege Mioceen waren deinotheres gegroeid tot de grootte van een kleine olifant, en waren naar Eurazië gemigreerd. Er zijn verschillende soorten bekend, alle behorend tot het geslacht Prodeinotherium.

Tijdens het late midden Mioceen werden deze bescheiden proboscideanen in heel Eurazië vervangen door veel grotere vormen. In Europa verscheen Prodeinotherium bavaricum in de vroeg-Miocene zoogdierfaunazone MN 4, maar werd spoedig vervangen door Deinotherium giganteum in het midden Mioceen. Evenzo is in Azië Prodeinotherium bekend uit de vroeg-Mioceen strata in de Bugti Heuvels, en bleef tot in de midden-Mioceen Chinji Formatie, waar het werd vervangen door D. indicum.

Terwijl deze Miocene deinotheres wijd verspreid waren en evolueerden tot reusachtige olifanten, waren zij niet zo algemeen als de hedendaagse (maar kleinere) Euelephantoidea. Fossiele resten van dit tijdperk zijn bekend uit Frankrijk, Duitsland, Griekenland, Malta, en Noord-India en Pakistan. Deze bestaan hoofdzakelijk uit tanden en schedelbeenderen.

Na het uitsterven van de indricotheres aan het eind van het vroege Mioceen, waren (en bleven) de deinotheres de grootste dieren die op aarde rondliepen.

Het late Mioceen was de bloeitijd van de reusachtige deinotheres. D. giganteum kwam algemeen voor op plaatsen in het Vallesien en Turolien in Europa. Prodeinotherium, die redelijk goed vertegenwoordigd was in het vroege Mioceen van Afrika, werd opgevolgd door D. bozasi aan het begin van het late Mioceen. En in Azië kwam D. indicum het meest voor in de laat-Miocene Dhok Pathan Formatie.

Fossiele tanden van D. giganteum, uit de laat-Miocene Sinap Formatie op de Turkse vindplaats Kayadibi zijn groter dan die van oudere vindplaatsen, zoals Eppelsheim, Wissberg, en Montredon, hetgeen wijst op een tendens van toenemende grootte van de leden van de soort in de loop der tijd. Dit waren de grootste dieren van hun tijd, beschermd tegen zowel roofdieren als rivaliserende herbivoren door hun enorme omvang. De grootste mammoeten benaderden hun grootte pas in het Pleistoceen.

Met het einde van het Mioceen daalde het fortuin van deinothere. D. indicum stierf ongeveer 7 miljoen jaar geleden uit, mogelijk gedreven tot uitsterven door hetzelfde proces van klimaatverandering dat eerder de nog reusachtiger Indricotherium had uitgeroeid. In Europa bleef D. giganteum, zij het met afnemende aantallen, voortbestaan tot het midden Plioceen; het meest recente exemplaar komt uit Roemenië.

In zijn oorspronkelijke Afrikaanse thuisland bleef Deinotherium floreren gedurende het hele Plioceen, en fossielen zijn blootgelegd op verschillende van de Afrikaanse vindplaatsen waar ook resten van hominiden zijn gevonden.

De laatste deinothere soort die uitstierf was D. bozasi. De jongst bekende exemplaren komen uit de Kanjera Formatie, Kenia, ongeveer 1 miljoen jaar geleden (vroeg Pleistoceen). De oorzaken van het uitsterven van zo’n succesvol en langlevend dier zijn niet bekend, hoewel ook een klein aantal andere Afrikaanse megafaunasoorten in deze tijd uitstierven.