现代研究显示，最早的苔藓虫化石发现于奥陶纪早期的地层中。苔藓虫中，栉口目并不像其他海洋苔藓虫具有碳酸钙骨骼，而是具有有机质。并且，该类群被看作是比较原始的一个类群，其他类苔藓虫或许衍生自与栉口目相似的类群。它们自奥陶纪出现以后一直延续到现代，但是变化少，化石也不多。
在古生代，苔藓虫具有三个重要的演化时期。
第一个是奥陶纪，是苔藓虫的首次繁盛期。在该时期苔藓虫除了栉口目，出现了变口目、泡孔目、隐口目、环口目等。其中，变口目和隐口目苔藓虫无论是多样性还是生物量都是处于绝对优势。
泥盆纪到石炭纪是苔藓虫的第二个繁盛期，上述各个目依然存在，但是隐口目却显得特别地繁盛，窗格目苔藓虫也逐渐增多。
但到了第三个演化时期——二叠纪，苔藓虫却发生了重大变化，在二叠纪末发生生物大灭绝，曾经作为优势类群的变口目、隐口目以及窗格目逐渐灭绝，而管口目和唇口目开始发生多样化，成为苔藓虫的优势类群。除了具有碳酸钙骨骼的管口目和唇口目外，苔藓虫还包括无矿化骨骼的淡水类型被唇类和栉口目苔藓虫。
苔藓虫的形态与多样性演化是引起研究者兴趣的重要原因之一，另外一个很重要的原因则是苔藓动物是寒武纪生物大辐射中一个没有出现的具有矿化骨骼的动物门类?！耙虼?，苔藓虫古生物研究对于学者了解后生动物门类起源研究具有重要的意义。
而且，苔藓动物在古生代以及新生代发生了较为可观的生物多样化，这对现代人理解地质历史过程中生物与环境相互协同演化具有重要的意义。
另外，个别地质时期，苔藓虫具有较快的演化速率，可以在地层对比方面发挥重要作用?。
