Eurazië en Noord-Amerika

De voorouders van de buideldieren en placentale zoogdieren splitsten zich waarschijnlijk van elkaar af in het Jura.
Het oudst bekende fossiel komt echter uit het Krijt.
Sinodelphys szalayi leefde 125 miljoen jaar geleden in de huidige Chinese provincie Liaoning.
Mogelijk hebben de buideldieren zich vanuit Eurazië verspreid naar Noord-Amerika.
Het oudst bekende Noord-Amerikaanse buideldier, Kokopellia juddi, leefde ongeveer 100 miljoen jaar geleden in Utah.
Het Krijt van Noord-Amerika laat een grote soortenrijkdom zien, met verscheidene families in het Laat-Krijt.
In deze periode ontstonden onder andere de buidelratten (Didelphimorphia).
De buideldieren stierven hier uit in het Mioceen, 15 tot 20 miljoen jaar geleden.

Via landbruggen verspreidden de Noord-Amerikaanse buideldieren zich weer naar andere continenten, Europa en Zuid-Amerika.
De Noord-Amerikaanse buideldieren vestigden zich in het Eoceen in Europa en verspreidden zich vervolgens naar Noord-Afrika en Oost-Azië.
Alhoewel deze kolonisatie niet leidde tot veel soorten, stierven de buideldieren hier pas uit in het Mioceen.
Tegenwoordig zijn er geen inheemse buideldieren in Europa, Afrika en het Aziatische vasteland.

Zuid-Amerika

Een buideldier wordt veel vroeger geboren dan de meeste andere zoogdieren, meestal ongeveer dertig dagen na de bevruchting, en bij de spitsneusbuideldas zelfs al na 10 dagen.
Het jong klautert dan tussen de haren van de moeder door naar de tepel.
Het diertje is op dat moment niet groter dan een kleine worm.
Als het de tepel niet snel bereikt zal het sterven.

Eenmaal aan de tepel reist het jonge dier met de moeder mee.
Als het jong van een buideldier met buidel groot genoeg is verlaat het de buidel, maar het zal er terugkomen om te drinken en uit te rusten.
Wanneer het jong niet meer in de buidel past, drinkt het toch nog een tijdlang de melk en duikt daarbij met zijn snuit in de buidel.

Antarctica & Australië

Genetisch onderzoek bevestigt dat de Australische buideldieren afstammen van Zuid-Amerikaanse dieren.
Aan het begin van het Paleoceen waren Zuid-Amerika, Antarctica en Australië nog met elkaar verbonden, het laatste overblijfsel van het supercontinent Gondwana.
Van Antarctica zijn weinig fossielen bekend.
Op Seymour Island zijn fossielen gevonden van buideldieren uit het Eoceen en zijn verwant aan soorten die op dat moment in Zuid-Amerika voorkwamen.
Toentertijd had Antarctica een warm, vochtig klimaat en groeiden er Nothofagus-bomen.

Australië was via Antarctica verbonden met Zuid-Amerika, tot het zich ongeveer 45 tot 55 miljoen jaar geleden losmaakte.
Over de eerste Australische buideldieren is weinig bekend.
Het oudst bekende buideldier van Australië is Djarthia murgonensis, die 55 miljoen jaar oud leefde in Zuidoost-Queensland.
Uit de daaropvolgende 30 miljoen jaar zijn geen fossielen bekend.
De eerstvolgende vondsten, daterend uit het late Oligoceen en vroege Mioceen, laten zien dat de buideldieren zich hebben ontwikkeld tot een zeer diverse fauna, waaronder leden van alle grote hedendaagse Australische buideldierenordes.
Op dat moment was Australië voornamelijk bedekt met bossen.
Gedurende het Mioceen werden graslanden echter dominant in Australië, wat kansen bood aan grazende groepen als de kangoeroes, waarvan verscheidene soorten ontstonden.
De boombewonende soorten moesten uitwijken naar de kustwouden en de bossen van Noordoost-Queensland en Nieuw-Guinea, waar het pas gevormde hoogland een klimaat creëerde dat geschikt was voor de groei van regenwouden.

Uitsterven van de megafauna

In het Pleistoceen leefde in Australië een megafauna, waaronder Diprotodon, met een geschat gewicht van 2 ton het grootste buideldier ooit, Procoptodon, een kangoeroe van 2 m hoog, en Thylacoleo, de buidelleeuw.
Deze stierven tussen 51.000 tot 38.000 jaar geleden uit, tijdens de komst van de Aborigines.
Mogelijk was de combinatie van klimaatverandering en overbejaging door de mens de oorzaak van het uitsterven van de megafauna.