Mẫu hoá thạch thú mỏ vịt hiện đại cổ xưa nhất có niên đại khoảng 100.000 năm, vào kỷ Đệ Tứ. Hai loài đơn huyệt đã tuyệt chủng Teinolophos và Steropodon từng được cho là có liên quan mật thiết với thú mỏ vịt hiện đại, nhưng hiện nay, chúng nằm ở vị trí phân loại cao hơn. Hoá thạch Steropodon người ta phát hiện được ở New South Wales có một xương hàm dưới bị khoáng chất hoá và ba chiếc răng hàm tạo bởi một xương hàm dưới có mắt với ba chiếc răng hàm (thú mỏ vịt hiện đại không có răng). Ban đầu, người ta nghĩ rằng những chiếc răng hàm này có ba đỉnh; ý niệm này củng cố cho một thuyết biến thể từ giả thuyết nguyên bản của Gregory. Tuy nhiên, các nghiên cứu sau này đã cho thấy rằng: dù những chiếc răng này có ba đỉnh, nhưng chúng lại tiến hoá theo một quá trình riêng biệt. Mẫu hoá thạch được cho là có niên đại khoảng 110 triệu năm tuổi; đây cũng là mẫu hoá thạch động vật có vú lâu đời nhất từng được phát hiện ở Úc. Khác với thú mỏ vịt hiện đại (và các loài thú lông nhím), Teinolophos không có mỏ.
Mẫu hoá thạch thú mỏ vịt hiện đại cổ xưa nhất có niên đại khoảng 100.000 năm, vào kỷ Đệ Tứ. Tuy nhiên, các nghiên cứu sau này đã cho thấy rằng: dù những chiếc răng này có ba đỉnh, nhưng chúng lại tiến hoá theo một quá trình riêng biệt.