Les caméléons sont issus des lézards, dont les plus anciens fossiles connus datent d'il y a environ soixante-cinq millions d'années. Certains auteurs supposent que le genre Mimeosaurus (Gilmore, 1928) est l'ancêtre direct des caméléons actuels (Romer, 1966). Les fossiles anciens incontestables de caméléons sont assez rares. Le plus vieux date d'il y a vingt-six millions d'années et a été découvert en Europe centrale, et correspond à l'espèce Chamaeleo caroliquarti. L'île de Madagascar est souvent considérée comme le berceau des caméléons, de par le fait que c'est là que se trouvent la majorité des espèces existantes ainsi que la plus forte variété de formes. Mais cette idée est actuellement contestée. De nombreux auteurs considèrent que les caméléons viendraient d'Afrique orientale, se basant sur le fait qu'on y trouve de nombreuses formes différentes et de par la présence de fossiles (Hillenius, 1959). Pour appuyer cette thèse des recherches génétiques (Matthey, 1957 ; Matthey & Van Brink, 1960) ont montré que les caméléons présentaient deux types de chromosomes, l'un « continental » et l'autre « insulaire ». Les caméléons de Madagascar et des îles voisines possèdent les deux types, les autres n'ayant que ceux de type continental. Ceci semble indiquer une diversification plus tardive pour les espèces malgaches. Les caméléons ont autrefois eu une aire de répartition bien plus étendue qu'aujourd'hui. On les rencontrait en Afrique mais aussi en Chine (Anquingosaurus brevicephalis Hou, 1976) et en Europe Centrale (Chamaeleo bavaricus Scheich, , 1983 et C. caroliquari Moddy & Rocek, 1980). Ils reculèrent vers le sud au quaternaire, durant la baisse des températures dans l'hémisphère nord, et on ne les rencontre plus qu'au sud de l'Espagne, au Portugal et en Grèce (Chamaeleo chamaeleon) pour la partie européenne. L'Arabie fut peuplée par trois séries de migrations successives, correspondant à des espèces ou sous-espèces distinctes (Chamaeleo arabicus, C.