I Plesiosauri e i Pliosauri furono i padroni incontrastati dei mari mesozoici dal Giurassico fino alla fine del Cretaceo, rappresentando l'apice evolutivo dell'ordine dei saurotterigi. Anche in questo caso non si tratta di dinosauri, ma di rettili marini caratterizzati da una modalità di nuoto assolutamente unica nel regno animale: utilizzavano tutti e quattro i grandi arti, evoluti in potenti ed enormi pinne, per "volare" letteralmente sott'acqua, con un movimento che ricorda quello delle odierne tartarughe marine o dei pinguini. Sebbene strettamente imparentati tra loro, questi due gruppi presero strade ecologiche nettamente opposte. I Plesiosauri svilupparono colli spropositatamente lunghi, teste piccole e denti aghiformi, perfetti per sferrare attacchi rapidi come un arpione contro banchi di pesci e calamari. I Pliosauri, al contrario, si affermarono come i veri superpredatori (apex predator) del Giurassico e del primo Cretaceo: accorciarono drasticamente il collo per sostenere crani giganteschi, capaci di raggiungere i tre metri di lunghezza, armati di denti enormi e di una forza del morso devastante, ideale per cacciare prede di grossa taglia, inclusi gli ittiosauri. Mentre i pliosauri declinarono e si estinsero a metà del Cretaceo, i plesiosauri a collo lungo continuarono a solcare gli oceani fino al fatidico limite K-T (66 milioni di anni fa), estinguendosi a causa dello stesso impatto meteoritico che spazzò via i dinosauri non aviani.