Khủng long bị tuyệt chủng là một trong những bí ẩn lớn nhất trong lịch sử tự nhiên của Trái Đất. Theo các nghiên cứu khoa học hiện đại, nguyên nhân chính được cho là do một thiên thạch khổng lồ đường kính khoảng 10 km đã va chạm với Trái Đất cách đây khoảng 66 triệu năm, tạo ra sự kiện tuyệt chủng hàng loạt cuối kỷ Phấn trắng. Vụ va chạm này đã tạo nên miệng hố Chicxulub tại bán đảo Yucatán, Mexico ngày nay. Tác động của nó không chỉ phá hủy môi trường sống trực tiếp mà còn tạo ra lượng lớn bụi và khí nóng bốc lên tầng khí quyển, chắn ánh sáng mặt trời, làm giảm nhiệt độ toàn cầu và ảnh hưởng đến quang hợp của thực vật trên diện rộng.

Bên cạnh đó, một số nhà khoa học cũng cho rằng hoạt động núi lửa lớn diễn ra vào cùng thời kỳ, đặc biệt là tại vùng Deccan Traps ở Ấn Độ, đã góp phần làm gia tăng mức độ tuyệt chủng. Các đợt phun trào núi lửa liên tiếp đã giải phóng khối lượng lớn khí độc như sulfur dioxide và carbon dioxide vào khí quyển, khiến khí hậu trở nên lạnh hơn hoặc có lúc lại nóng lên bất thường. Sự biến đổi khí hậu đột ngột này khiến hệ sinh thái bị xáo trộn nghiêm trọng, nhiều loài thực vật và động vật không kịp thích nghi với điều kiện môi trường mới nên bị suy giảm mạnh về số lượng.

Ngoài hai nguyên nhân chính kể trên, còn có những giả thuyết phụ khác như thay đổi mực nước biển, sự cạnh tranh trong chuỗi thức ăn hay sự xuất hiện của các loài mới. Tuy nhiên, đa số bằng chứng hiện nay đều tập trung vào tác động kết hợp giữa thiên thạch và hoạt động núi lửa với hệ quả là biến đổi khí hậu toàn cầu. Điều này đã tạo nên một kịch bản diệt vong hàng loạt, không chỉ khiến khủng long mà còn nhiều loài sinh vật khác biến mất khỏi bề mặt Trái Đất, nhường chỗ cho sự trỗi dậy của các loài động vật có vú và cuối cùng là sự xuất hiện của con người.