นอติลอยด์พบปรากฏขึ้นครั้งแรกจากหมวดหินเฝิ่งซานยุคแคมเบรียนทางตะวันออกเฉียงเหนือของประเทศจีนที่ซึ่งดูเหมือนจะพบอย่างหลากหลาย (เป็นช่วงเวลาที่เป็นทะเลตื้นอากาศอบอุ่นที่อุดมไปด้วยสิ่งมีชีวิตทะเล) อย่างไรก็ตาม แม้ว่าจะมีรายงานจำนวนชนิดไว้มากถึง 131 ชนิดอยู่ในจำนวน 4 อันดับ แต่ดูเหมือนว่าไม่ค่อยจะมีความแน่นอนว่าจะได้รับการยอมรับ และจริงๆแล้วดูเหมือนว่าจำนวนชนิดดังกล่าวค่อยข้างจะมีการแยกแยะชนิดมากจนเกินไป

นอติลอยด์ยุคแรกๆได้สูญพันธุ์ไปเกือบทั้งหมด มีเพียงวงศ์เดียวคือเอลเลสเมอโรเซอราทิดีที่รอดพ้นไปจนถึงช่วงต้นของยุคออร์โดวิเชียนที่ซึ่งทำให้เกิดเซฟาโลพอดรุ่นหลังๆต่อมาทั้งหมด ในยุคออร์โดวิเชียนตอนต้นถึงตอนกลางนอติลอยด์ต้องพบกับการแตกแขนงวิวัฒนาการครั้งใหญ่ที่อาจเป็นผลสืบเนื่องมาจากได้เกิดแหล่งนิเวศวิทยาใหม่ๆที่เกิดขึ้นจากการสูญพันธุ์ไปของแอโนมาโลคาริสเมื่อสิ้นสุดยุคแคมเบรียน โดยได้เกิดอันดับใหม่มากถึง 8 อันดับทีมีลักษณะโครงสร้างและชนิดของเปลือกกระดองรวมทั้งการดำรงชีวิตทางนิเวศวิทยาที่ครอบคลุมอย่างหลากหลาย

นอติลอยด์ได้คงไว้ซึ่งขอบเขตของการปรับตัวเองอย่างสูงและมีความหลากหลายในรูปแบบตลอดช่วงยุคออร์โดวิเชียนและยุคดีโวเนียนด้วยรูปแบบของเปลือกกระดองที่เป็นทั้งแบบแท่งตรง โค้ง และม้วนขดที่ดำรงชีวิตอยู่ร่วมกันในช่วงเวลานั้นๆ นอติลอยด์อันดับที่เกิดในช่วงแรกๆหลายอันดับได้สูญพันธุ์ไปแต่อันดับอื่นๆก็ได้เกิดขึ้นเข้ามาโดดเด่นแทนที่

นอติลอยด์เริ่มลดจำนวนลงในช่วงยุคดีโวเนียนซึ่งอาจเป็นผลสืบเนื่องมาจากการแข่งขันกับลูกหลานที่สืบทอดมาอย่างแอมโมนอยด์และโคลอยด์โดยมีเพียงนอติลิดาเท่านั้นที่ยังคงหลงเหลืออยู่ (และจริงๆแล้วกำลังเพิ่มขึ้นในความหลากหลาย) เปลือกกระดองของมันมีการเพิ่มการขดม้วนชิดกันแน่นมากขึ้นขณะที่ทั้งจำนวนและความหลากหลายของพวกที่ไม่ใช่นอติลิดาได้ลดจำนวนลงอย่างต่อเนื่องตลอดยุคคาร์บอนิเฟอรัสและยุคเพอร์เมียน

การสูญพันธุ์ครั้งใหญ่เมื่อสิ้นสุดยุคเพอร์เมียนส่งผลกระทบต่อนอติลอยด์น้อยกว่าสิ่งมีชีวิตอื่นๆ และมีเพียงไม่กี่กลุ่มเท่านั้นที่รอดพ้นเข้าไปในมหายุคมีโซโซอิกได้แก่ซูเดอร์โธเซอริด แบคทรีติด และนอติลิด และอาจรวมไปถึงออร์โธเซอริด รูปแบบเปลือกกระดองที่เป็นแท่งตรงยังคงรอดพ้นอยู่ได้ไปจนสิ้นสุดที่ยุคไทรแอสซิก แต่ออร์โธเซอริดอาจพบได้ในหินยุคครีเทเชียสด้วยเหมือนกัน มีเพียงอันดับย่อยของนอติลอยด์เพียงอันดับย่อยเดียวเท่านั้นคือนอติลินาที่รอดพ้นไปจนตลอดมหายุคมีโซโซอิกที่ได้มีชีวิตร่วมกับลูกหลานอย่างแอมโมนอยด์ที่มีลักษณะพิเศษมากกว่า ทั้งหมดของนอติลอยด์เหล่านี้มีลักษณะที่แตกต่างจากหอยงวงช้างในปัจจุบันเพียงเล็กน้อย มันได้ฟื้นคืนสภาพขึ้นมาเล็กน้อยในช่วงต้นๆของยุคเทอร์เชียรี (อาจจะเป็นเพื่อการเติมพื้นที่อาศัยที่ว่างลงโดยแอมโมนอยด์จากเหตุการณ์สูญพันธุ์ยุคครีเทเชียส-เทอร์เชียรี) และได้รักษาการกระจายพันธุ์ไปทั่วโลกจนถึงช่วงกลางของมหายุคซีโนโซอิก ด้วยภูมิอากาศโลกที่เย็นลงในช่วงสมัยไมโอซีนและสมัยไพลโอซีนได้ทำให้การกระจายพันธุ์หดหายไปและก็ได้ลดความหลากหลายลงอีกครั้ง ในปัจจุบันพบนอติลอยด์เพียง 6 ชนิดเท่านั้นทั้งหมดอยู่ใน 2 สกุล คือ “สกุลนอติลุส” และ “สกุลอัลโลนอติลุส”