Морские лилии имеют долгую ископаемую историю, их первые представители приходят из отложений конца Ордовика: Тремадокийский-Аренигийский Аэтокрин. Кембрийское ископаемое Эхматокрин некогда считалось первейшей морской лилией, но теперь считается вероятным восьмилучевым кораллом. Морские лилии были многочисленными и разнообразными во времена Палеозоя, и их основные группы образовались ещё в Ордовике. В конце Ордовика был упадок разнообразия до середины Силура, когда они ожили, только чтобы снова упасть в конце Девона. Они снова стали разнообразными и многочисленными в позднем Карбоне, очень часто потому, что они были главными животными рифов; их стебли и щупальца образуя отложения т.н. лилейного известняка. Когда морские лилии умирают, они распадаются весьма быстро, через несколько дней после смерти их соединяющие и мягкие ткани, которые держат вместе их наружние скелеты, разлагаются. Т.ч. там, где морская лилия уцелела целиком (или почти целиком), то там она была быстро покрыта грунтом, с достаточным покрытием, чтобы её части не были разбросаны водяными течениями, падальщиками или фильтраторами.
Разные группы морских лилий появлялись в Карбоне до позднего Карбона и Перми, когда начался постепенный упадок. К концу Палеозоя морских лилий осталось очень мало и великое разнообразие палеозойских видов подошло к концу и никогда не вернулось, т.к. к Триасу уцелел только один род. Он породил новые виды во время Триаса и во время остального Мезозоя и позднее, когда донные морские лилии были вытяснены разнообразными пелагическими видами, которые являются главными среди современных родов морских лилий.
У большинства ископаемых видов обычно есть стебель и корона с щупальцами. Они живут прикреплённые к морскому дну, иногда при помощи хорошо развитого "якоря": из него растёт слабо гнущийся или состоящий из множества дисков стебель. Иногда на диски ростут тонкие, гибкие волоски, при помощи которых современные донные виды морских лилий также могут крепиться к морскому дну. На вершине стебля - корона, где находятся кишки и другие органы, а также рот, который обычно прикрыт бронированной или кожистой крышечкой (частью короны, которая находится над щупальцами, которые образуют её крону), и который направлен наверх, от морского дна. Там же обычно находится хорошо развитое и бронированное заднее отверствие - от небольшого округлого выступа до длинной трубки. Там же несколько ловчих щупалец, иногда покрытых тонкими, пальцеобразными, побочными щупальцами, покрытыми пищевыми канавками, которые смыкаются у рта.
Другие морские лилии, вроде современного Антедона - пелагические животные, которые парят или слабо плавают в толще вод и прикрепляются к другим предметам при помощи волосков. Изначально, у них тоже есть стебли, но очень быстро они отделяются от дна. Некоторые морские лилии Палеозоя также были свободноплавающими созданиями без стеблей, а юрский Аилсакрин имел обе формы - и ту, у которой ещё был стебель, и ту, с округлой короной, где раньше был стебель.
У морских лилий, по меркам современных иглокожих, больше всего скелета в пропорции к мягким частям. Недавние исследования открыли, что современная морская лилия может потерять свою корону специально, из-за автототии, но стебль от этого не умрёт. Доказательство этого - уцелевший стебель, который округлился. Другие исследования также открыли, что у ископаемых морских лилий также была эта способность. Пища добывается прямым поглощением через эпителий стебля, но размножаться стебель не может, эта функция есть только у короны, где содержатся половые железы.
Морские лилии - пассивные охотники, используют свои щупальца, чтобы поймать свою добычу при помощи следующих методов. Пелагические виды активно ищут удачные места для охоты, вроде верхней половины рифов или среди водорослей, и раскрывают свои щупальца, чтобы образовать симмитрический, округлый, фильтрационный веер среди водных течений. Или, в более бурных условиях, они могут принять лучевую позу, когда щупальца направлены в разные стороны. Третий вид - для глубоководных пелагиков - собрать падающий сверху корм при помощи щупалец, которые образуют миску или конус. Донные морские лилии (Неокринус напрмер) образуют округлый или овальный фильтрационный веер, который зависит от течений, которые и приносят им пищу. У этих видов щупальца добывают добычу, причём последняя попадает в центральную канавку, полную слизи, и волоски отправляют её в рот. Ископаемые морские лилии скорее всего питались также, как и их современные потомки.
Хищники не ищут активно морских лилий себе в пищу, возможно из-за ядовитых веществ в их слизи, т.ч. считается, что у них мало врагов. Однако, у них есть паразиты вроде брюхоногих моллюсков или многощетинковых червей, которые проникают им в стебли, образуя там цисты. Дырки, окружённые такими цистами, часто сохраняются у окаменевших морских лилий и их называют Тремихном. Силурский брюхоногий моллюск-паразит Платицер жил около заднего прохода морской лилии и иногда сохранялся вместе с нею. Животные-комменсалы включают ракообразных и некоторых офиуров.
Донные морские лилии были гораздо более обычными в Палеозое чем позднее, и хотя они живут и в наши дни, они гораздо более редкие, чем пелагические виды, и живут на глубине. С точки зрения зоолога, пелагические виды являются типичными морскими лилиями, но для палеонтологов донные виды считаются более типовыми. Есть хорошо сохранившиися доказательства, что переход от донного к пелагическом образу жизни прошёл несколько раз независимо друг от друга во время эволюционного развития морских лилий. Некоторые из вымерших пелагических морских лилий времён Палеозоя (вроде Муелодактиля) и Мезозоя (вроде Аилсакрина), не являются близкими родичами современным пелагическим видам и жили по другому.
Морские лилии встречаются по всему миру, в отложениях, появившихся от Ордовика до наших дней. Соврменные виды, 600 которых известны науке, живут в самых разных морских экосистемах, от холодных вод морских глубин и полюсов до более мелководных и тёплых вод тропиков. Те виды, что живут в холодных водах имеют меньше щупалец (до 10), которые ещё и более длинные, чем более тепловодные виды, у которых часто больше 10 щупалец.