นักวิทยาศาสตร์คาดว่าผีเสื้ออาจมีต้นกำเนิดแต่ยุคครีเทเชียส (Cretaceous Period) ซึ่งยุติเมื่อกว่า 65 ล้านปีก่อน ทั้งนี้ เนื่องจากซากดึกดำบรรพ์ของสัตว์ในตระกูลผีเสื้อมีน้อยมาก จึงทำให้การคะเนเกี่ยวกับต้นกำเนิดผีเสื้อเป็นไปได้ไม่สะดวกนัก โดยซากดึกดำบรรพ์ของสัตว์ดังกล่าวที่มีอายุมากที่สุดคือซากนิรนามของสัตว์สคิปเพอร์ (Skipper, Thymelicus lineola) อายุราวสมัยพาเลโอซีน (Paleocence Epoch, ประมาณ 57 ล้านปีก่อน) พบที่เมืองเฟอร์ (Fur) ราชอาณาจักรเดนมาร์ก และซากดึกดำบรรพ์ประเภทอำพันแห่งโดมินิกัน (Dominican amber) ของผีเสื้อเมทัลมาร์ก (Metalmark, Voltinia dramba) อายุยี่สิบห้าล้านปี

ปัจจุบันโดยปรกติวิสัยผีเสื้อกระจายพันธุ์ทั่วไปในภูมิประเทศหนาวเย็นและแห้งแล้ง มีการประมาณว่าขณะนี้มีผีเสื้อในมหาวงศ์ (Superfamily) พาพิลิโอโนอิเดีย (Papilionoidea) กว่า 17,500 ชนิด (species) และมหาวงศ์เลพิดอปเทรา (Lepidoptera) กว่า 180,000 ชนิด