化石是判断植物起源年龄的最直接证据，但至今尚未发现茶树种群化石，因此茶树种群的起源时间和地点只能根据茶树种群在系统进化中的位置来判断。根据植物学中Hutchinson、takhtajan和cronquist的分类系统，茶树种群的系统发育路径可能是被子植物-木兰-圆柏-山茶科-山茶科-山茶花-原生植物-山茶花-茶-茶-茶-茶-茶-茶-茶-茶-茶-茶-茶-茶-茶-茶。
被子植物化石在白垩纪(1.45-6.5亿年前)爆发。因此，大多数学者认为被子植物起源于白垩纪或晚侏罗世，其中木兰科比其他被子植物类群发展得更早，是被子植物中较为原始的类群。值得一提的是，1992年，中国学者陶俊荣等人在吉林省延吉市早白垩世化石中发现了石蕊花化石。它具有现代木兰科几个属的特征，但又各不相同，证明它是一个未分化的原始木兰科。这一发现早于美国的d l .迪歇(1979)和瑞典的e m .弗里斯教授(1985)发表的白垩纪中晚期化石花，被认为是目前世界上最早的化石花。根据植物学家的估计，更原始的山茶花出现在古近纪古新世至始新世之间，即6000万至5000万年前，而山茶花出现在古近纪渐新世约3000万至2000万年前。
为了证明一个地方是农作物的起源中心，植物学界最重要的依据是已经出土了农作物的化石，而且这个地方也是农作物物种的多样性中心，但是至今还没有发现茶树化石。然而，中国在云南省景谷县发现了渐新世“景谷植物群”化石，共有19科25属36种。其中，在滇西南野生茶树最集中的景谷、临沧、沧源、澜沧、京东、两河、腾冲等地发现了木兰属植物。木兰花是在晚中新世(2000万至2500万年前)发现的。何长祥在《云南省西南部茶树种植与地质背景条件相关性研究》报告中认为，生长在滇西南的野生大茶树可能是由该地区三世纪的阔叶木兰经过中国木兰进化而来，茶树没有受到第四纪更新世多期破坏性冰川活动的侵袭而得以生存和发展。
