Dinotheres förfäder och evolutionära relationer förblir oklara. De tros vara besläktade med barythereserna på grund av likheter i tändernas struktur. De skiljde sig uppenbarligen från resten av proboskideerna vid ett mycket tidigt tillfälle. På 1970-talet placerade flera forskare dem i en separat ordning i förhållande till Proboscidea, men denna uppfattning följs inte numera.
Den äldsta kända deinotheren är Chilgatherium harrisi från slutet av oligocen. Dess fossila lämningar har hittats i distriktet Chilga i Etiopien (därav namnet). Detta tyder på att deinotherer, i likhet med andra proboscidianer, utvecklades i Afrika. Chilgatherium var ganska liten, ungefär mitt emellan en stor gris och en liten flodhäst i storlek.
I början av miocen hade deinotheres vuxit till storleken av en liten elefant och hade migrerat till Eurasien. Flera arter är kända, alla tillhörande släktet Prodeinotherium.
Under slutet av mellersta miocen ersattes dessa proboscidianer i blygsam storlek av mycket större former över hela Eurasien. I Europa dök Prodeinotherium bavaricum upp i den tidiga miocena däggdjursfaunalzonen MN 4, men ersattes snart av Deinotherium giganteum i den mellersta miocen. Likaså i Asien är Prodeinotherium känd från de tidiga miocena lagren i Bugti Hills, och fortsatte in i den mellersta miocena Chinji-formationen, där den ersattes av D. indicum.
Men även om dessa miocena Deinotherium spreds vitt och brett och utvecklades till storleken av enorma elefanter, var de inte lika vanliga som de samtida (men mindre) Euelephantoidea. Fossila lämningar av denna ålder är kända från Frankrike, Tyskland, Grekland, Malta samt norra Indien och Pakistan. Dessa består huvudsakligen av tänder och ben från kraniet.
Efter indricotheres utdöende i slutet av det tidiga miocen var (och förblev) deinotheres de största djuren som vandrade på jorden.
Den sena miocen var storhetstiden för de jättelika deinotheres. D. giganteum var vanlig från vallesiska och turoliska platser i Europa. Prodeinotherium, som var någorlunda väl representerad i den tidiga Miocen i Afrika, efterträddes av D. bozasi i början av den sena Miocen. Och i Asien var D. indicum vanligast i den senmiocena Dhok Pathan-formationen.
Fossila tänder av D. giganteum, från den senmiocena Sinap-formationen vid den turkiska platsen Kayadibi, är större än tänder från äldre platser, som Eppelsheim, Wissberg och Montredon, vilket tyder på en tendens till ökande storlek hos medlemmarna av arten över tid. Dessa var de största djuren på sin tid, skyddade från både rovdjur och rivaliserande växtätare i kraft av sin enorma volym. De största mammutarna närmade sig dem inte i storlek förrän under pleistocen.
Med slutet av miocen minskade deinothernas förmögenhet. D. indicum dog ut för cirka 7 miljoner år sedan, möjligen driven till utrotning av samma process av klimatförändringar som tidigare hade eliminerat den ännu enormare Indricotherium. I Europa fanns D. giganteum kvar, om än i minskande antal, fram till mitten av Pliocen; det senaste exemplaret är från Rumänien.
I sitt ursprungliga afrikanska hemland fortsatte Deinotherium att blomstra under hela Pliocen, och fossil har upptäckts på flera av de afrikanska platser där rester av hominider också har hittats.
Den sista deinotheriska arten som dog ut var D. bozasi. De yngsta kända exemplaren är från Kanjera-formationen, Kenya, för cirka 1 miljon år sedan (tidig pleistocen). Orsakerna till att ett så framgångsrikt och långlivat djur dog ut är inte kända, även om ett litet antal andra arter av afrikansk megafauna också dog ut vid denna tid.