猫头鹰是经过漫长的生物进化过程形成的。从化石记录来看，猫头鹰在大约5700 - 6000万年前就已经作为一个独特的谱系存在，是已知最古老的非鸡雁类陆鸟类群之一。在古新世时期，就出现了如贝吕鸮属和原鸮属等早期猫头鹰化石，这些化石显示了猫头鹰早期的多样性。

在进化过程中，猫头鹰逐渐适应了不同的生态环境，演化出多样化的物种。例如，2022年在青藏高原东北缘的甘肃临夏盆地发现了距今约600万至950万年的昼行性猫头鹰化石——日行中新猛鸮，这表明猫头鹰在早期演化过程中可能在多个大陆上分布，并逐渐适应不同的生态条件。猫头鹰的耳朵位置不对称，翅膀结构特殊，羽毛柔软且边缘呈锯齿状，这些特征都是其长期进化的结果，有助于它们在夜间准确地捕食猎物。