Los antepasados del Koala fueron probablemente arborícolas. El Koala fue posiblemente el primero en ramificarse hace aproximadamente unos 40 millones de años. Vivieron en la selva y tenían dietas menos especializadas.
El Koala actual es la única raza que existe del Phascolarctidae. Algunas especies como el Nimiokolala greystanesi tenían un tamaño semejante al Koala actual, mientras que, otras especies como las del género Litokoala, tenían un tamaño de la mitad del Koala moderno. Estos animales prehistóricos tambien poseían orejas con estructuras desarrolladas, provocando unas vocalizaciones a largas distancias y el sedentarismo que hoy en día es tan usual en los Koalas.
A mediados del Mioceno, el continente Australiano empezó a secarse y provocó la desaparición de las selvas y la aparición en mayor número de los arboles de eucalipto. El Litokoala se termina separando del Phascolarctos y experimenta diversas adaptaciones que le permiten vivir a base de la dieta de eucaliptos. Durante el Plioceno, los cambios de clima y vegetación en Australia produjeron que especies de koalas fueran creciendo de tamaño como el P. Stirtoni.
El registro fósil del Koala moderno se extiende al menos hasta el Pleistoceno medio, que fue cuando se produjo la reducción de tamaño en grandes mamíferos.
