Момент появления на Земле семейства кактусовых остается предметом споров с момента его открытия по сей день, поскольку никаких ископаемых остатков кактусов до сих пор не найдено ни в одном геологическом слое. Основываясь на данных о возрасте родственных семейств и так называемом «приблизительном молекулярном возрасте», ученые-ботаники в основном предполагают, что первые представители кактусовых появились 30-35 млн лет назад – сравнительно молодой по биологическим меркам возраст. Причиной их появления в позднем Олигоцене стало резкое изменение климата, начавшееся со снижения уровня углекислого газа (CO>2) в атмосфере Земли. Изменился теплообмен, появились пассаты, которые, достигая тридцатых широт и двигаясь далее вдоль экватора, привели к осушению значительных территорий и образованию пустынь.
Будущие кактусы оказались в числе тех растений, которые в силу изменения климата вынуждены были приспосабливаться к условиям длительных засух и дефицита углерода в воздухе. В целях экономии воды большинство из них сначала сократили поверхность листовой пластины, а затем и вовсе сбросили листья, уменьшая тем самым площадь испаряющей поверхности. Основные функции листьев – дыхательную и фотосинтезирующую – принял на себя стебель растения. Он стал более мясистым, принимая шаровидную или цилиндрическую форму, чтобы одновременно обеспечить достаточный объем для хранения запасов влаги и уменьшить площадь поверхности испарения. Ребра, бугорки и сосочки, которыми обзавелись в процессе эволюции многие виды кактусов, играют роль зонтиков, создавая скользящую тень и защищая растение от ожогов и перегрева. Той же цели служат и восковой налет на стебле у многих видов, и густые колючки, и опушение или крап, иногда почти полностью скрывающие стебель. Ничего похожего на кактусы во флоре восточного полушария нашей планеты не встречается, и первых европейцев, прибывших в Америку, они буквально поразили своей необычностью и эстетическим совершенством. Кактусы отправлялись в Европу в числе наиболее ценных трофеев, добытых в Новом Свете.
В ходе эволюции изменились не только надземная часть, но и корневая система многих кактусов. Живущие в особенно сложных условиях сформировали толстые «реповидные» корни, часто в несколько раз превышающие по размеру стебель растения (невольно вспоминается родство кактусовых с корнеплодами). Кактусовые «репы» не только играют роль резервуаров для длительного хранения воды, но и работают как своеобразные пружины: в периоды засухи такая пружина сжимается, втягивая стебель в грунт и убирая его от жары и солнца. После непродолжительных дождей корень, наполняясь водой и увеличиваясь в размерах, наоборот, выталкивает стебель кактуса на поверхность, поднимая активность фотосинтеза на период роста растения.