Les "pélycosaures" (ou "pélycosauriens") sont des "reptiles mammaliens", c'est-à-dire des parents des mammifères qui ressemblaient à des reptiles. Ce sont les plus anciens synapsides connus. Ces animaux offraient une grande diversité de taille (moins d'un mètre jusqu'à 6 m), de forme (un grand corps pour une petite tête ou inversement, voile dorsale, ...) et de régime alimentaire (carnivore, piscivores, insectivores, herbivores). Parmi les plus connus, on trouve les "pélycosaures" à voile tel que Dimetrodon ou Edaphosaurus, qui régulaient leur température en orientant leur voile dorsale vers le soleil ou le vent, selon leur température.

Les premiers "pélycosaures" ont été découverts au milieu du XIXe siècle. Le premier provient du Permien inférieur de l'Île-du-Prince-Édouard, près de la Nouvelle-Écosse, une île de l'Est du Canada. Les fragments de crâne ont été décrits par le paléontologue américain Joseph Leidy en 1854. Il les attribua à un reptile, qu'il appela Bathygnathus. En 1869, le paléontologue français Paul Gervais mentionne un fragment de mâchoire trouvé dans le Permien inférieur du département français du Jura. Comme les "pélycosauriens" étaient quasiment inconnus, il lui donna le nom de Geosaurus ? cynodus (Gervais, 1869), puis placée en 1923 dans le nouveau genre Neosaurus par le Baron Franz von Nopsca. À partir de 1875, les découvertes faites aux États-Unis - essentiellement au Texas - ont permis de mieux comprendre les membres de ce groupe, notamment grâce aux travaux des fameux paléontologues américains Edward Cope (Dimetrodon Cope, 1878 et Edaphosaurus Cope, 1882) ou Othniel Marsh (Ophiacodon Marsh, 1878). Au début du XXe siècle, Ferdinand Broili décrivit Varanosaurus (Broili, 1904), puis Samuel Williston nomma Casea (Williston, 1910) et Varanops (Williston, 1911). Alfred Romer et Llewellyn Price passèrent en revue l'intégralité des "pélycosauriens" connus en 1940 dans un ouvrage qui fait toujours autorité, servant de base à la mise au point réalisée par Robert Reisz en 1986.

Les "pélycosaures" ont vécu du Carbonifère supérieur et ont disparus un peu avant la fin du Permien (soit de 312-254 Millions d'années). Des fossiles de "pélycosaures" ont été trouvés un peu partout dans le monde. Toutefois, il ne sont connus qu'en Europe (France, Royaume-Uni, Allemagne, République tchèque, Pologne) et surtout en Amérique du Nord (États-Unis, Canada) entre le Carbonifère supérieur et le Permien inférieur . Plus tard, les derniers "pélycosauriens" subsistent aux États-Unis, France, Russie (Ouest de l'Oural), en Afrique du Sud et en Uruguay. Ils appartiennent soit aux caséidés soit aux varanopidés. Ils devaient occuper des niches écologiques qui ont été occupées par les thérapsides, les paréiasaures et les diapsides ailleurs dans le monde à la même époque. Le seul "pélycosaure" sud-américain était peut-être un varanopidé: il provient d'une formation géologique datée du Permien supérieur supérieur et peut-être du Trias inférieur, ce qui en ferait le plus jeune "pélycosaure" connu (Pineiro et al., 2003).