化石是最好的證據。目前已知的最早的蝙蝠化石生存在大約5500萬年前的始新世，那時，霸佔天空的翼龍已經滅絕了，蝙蝠完全可以在藍天中自在地覓食生存。不過，這些化石的樣子非常接近於蝙蝠今天的形態，更早的蝙蝠化石一直都沒有被發現。蝙蝠的祖先是什麼樣子的，它們又是如何完成進化的，都還是一個未解之謎。
不過，並非沒有線索。從蝙蝠的骨骼特徵上可以推斷，它的翅膀是前肢進化來的，上臂、前臂、掌骨和指骨都特別長，它們之間有一層薄而堅韌的皮膜相連，一直延伸到體側、後肢和尾巴，形成了獨特的翼膜系統。蝙蝠的翼手和爬行動物中已經滅絕的、曾在中生代獨霸天空的翼龍驚人相似。爲了飛向藍天，兩類不同的生物——哺乳類的蝙蝠和爬行動物的翼龍，採取了相同的進化策略。
科學家們相信，掌握飛行能力不能一蹴而就。蝙蝠的先祖很可能生活在樹上，爲了逃避敵害或者捕食飛蟲，有時候需要從一棵樹迅速轉移到另一棵樹上。於是，在漫長的適應進化中，那些在前肢上生出了皮膜、有助於在空中滑翔的個體獲得了更多的生存機會，自然選擇的結果使這些有利的性狀遺傳到了後代，並不斷得到強化，最終脫胎換骨，征服了藍天。
當然，蝙蝠並不僅僅在身體結構上改變，它們的細胞也在發生變化。科學研究表明，在空中飛行所需的能量是在地上行走的3～15倍，因此，要想飛起來需要更強的動力。在生物細胞內有一種專門負責供應能量的特殊結構——線粒體。2010年，分子動物學家張亞平院士和沈永義博士研究發現，蝙蝠的線粒體在演化過程中變得越來越強大，顯示它們細胞的能量系統也升級了。“裏應外合”的全方位演化，蝙蝠飛上天空也就順理成章了。
蝙蝠作爲哺乳動物爲什麼會飛的科學故事點評雖然很多蝙蝠具有相當高的飛行水準，但是和現代藍天的霸主——鳥類相比，它們的飛行水平還是差了一大截。因此，處於劣勢的蝙蝠在進化過程中儘量避免和鳥類直接競爭，它們中的大多數乾脆選擇在鳥類活動較少的夜晚出外捕食，白天就躲起來了。蝙蝠的這種錯時出行，正是它們能生存至今的大智慧。
