十二生肖源於何時，今已難於細考。長期以來，不少人將《論衡》視為最早記載十二生肖的文獻。《論衡》是東漢唯物主義思想家王充的名著。《論衡·物勢》載：“寅，木也，其禽，虎也。戌，土也，其禽，犬也。……午，馬也。子，鼠也。酉，雞也。卯，兔也。……亥，豕也。未，羊也。丑，牛也。……巳，蛇也。申，猴也。”以上引文，只有十一種生肖，所缺者為龍。該書《言毒篇》又說：“辰為龍，巳為蛇，辰、巳之位在東南。這樣，十二生肖便齊全了，十二地支與十二生肖的配屬如此完整，且與現今相同。
生肖為何取數十二？
《周禮·春官·馮相氏》載：“掌十有二歲，十有二月，十有二辰，十日，二十八星之位，辨其敘事，以會天位。”時間的分割以十二累進，一紀十二年，一年十二個月，一日十二時辰。《國語·晉語四》載：“黃帝之子二十五宗，其得姓者十四人，為十二姓。”甚至天子妻妾也有“十二女”之說，《後漢書·荀爽傳》：“故天子娶十二婦，天之數也；諸侯以下各有等差，事之降也。”
近年,在神農架地區發現了漢族創世史詩《黑暗傳》。其中有一個講述干支來歷的故事：“開天闢地之初，玄黃騎著混沌獸遨遊，遇到女媧。女媧身邊有兩個肉包，大肉包裡有十個男子，小肉包裡有十二個女子。玄黃說：‘這是天干革命地支神，來治理乾坤的。’於是，為他們分別取名，配夫妻，成陰陽。男的統稱天干，女的則為地支。”這一創世神話故事，講干支，講玄黃神、女媧神，講乾坤陰陽，將干支的“身世”推溯得十分久遠。
天乾地刊，古代歷來以天為主、地為從。十天干又叫十母，對應的十二地支則別稱十二子。漢代蔡邕《月令章句》：“大橈采五行之情，占斗綱所建，於是始作甲乙以名日，謂之干；作子丑以名月，謂之支。干支相配，以成六旬。”大橈是黃帝時代的大臣，這裡的配成六旬，即六十甲子，取了天干十和地支十二的最小公倍數。干與支按順序相配合，由甲子乙丑……一直排至癸亥為第六十對，正好干、支均用最末一位，再排便是重由甲子開始，這一循環稱為一個甲子。其中，每個天幹出現六次，每個地支出現五次。
十二生肖的產生，有著天文學的背景。在原始時代，先民們體驗著寒暑交替的循環往復。宋代洪皓《松漠紀聞》載：“女真舊絕小，正朔所不及，其民皆不知紀年，問則曰‘我見青草幾度矣’，蓋以草一青為一歲也。”宋代孟珙《蒙韃備錄》也記：“其俗每草青為一歲，有人問其歲，則曰幾草矣。”年又有觀天者發現月亮盈虧週期可以用來丈量歲的長短，發現十二次月圓為一歲，這一發現，是初期曆法最精度的成果之一，“十二”便視為傳達天意的“天之大數”。天干需地支為伴，日月相對，天地相對，就非“十二”莫屬了。
子鼠丑牛……戌狗亥豬。天下動物很多，古人為何選擇了這十二種動物為屬相？
清代劉獻《廣陽雜記》引李長卿《松霞館贅言》：“子何以屬鼠也？曰：天開於子，不耗則其氣不開。鼠，耗蟲也。於是夜尚未央，正鼠得令之候，故子屬鼠。地辟於丑，而牛則開地之物也，故丑屬牛。人生於寅，有生則有殺。殺人者，虎也，又寅者，畏也。可畏莫若虎，故寅屬虎。犯者，日出之候。日本離體，而中含太陰玉兔之精，故犯屬兔。辰者，三月之卦，正群龍行雨之時，故辰屬龍。巳者，四月之卦，於時草茂，而蛇得其所。又，巳時蛇不上道，故屬蛇。午者，陽極而一陰甫生。馬者，至健而不離地，陰類也，故午屬馬。羊嚙未時之草而茁，故未屬羊。申時，日落而猿啼，且伸臂也，譬之氣數，將亂則狂作橫行，故申屬猴。本者，月出之時，月本坎體，而中含水量太陽金雞之精，故本屬雞。於核中，豬則飲食之外無一所知，故亥屬豬。”
另一種說法，十二生肖的選用與排列，是根據動物每天的活動時間確定的。我國至遲從漢代開始，便採用十二地支記錄本一天的十二個時辰，每個時辰相當於兩面三刀個小時，夜晚十一時到凌晨一時是子時，此時老鼠最為活躍。凌晨一時到三時，是丑時，牛正在反芻。三時到五時，是寅時，此時老虎到處遊蕩覓食，最為兇猛。五時到七時，為犯時，這時太陽尚未升起，月亮還掛在天上，此時玉兔搗藥正忙。上午七時到九時，為辰時，這正是神龍行雨的好時光。九時到十一時，為巳時，蛇開始活躍起來。上午十一時到下午一時，陽氣正盛，為午時，正是天馬行空的時候。下午一時到三時，是未時，羊在這時吃草，會長得更壯。下午三時到五時，為申時，這時猴子活躍起來。五時到七時，為酉時，夜幕降臨，雞開始歸窩。晚上七時到九時，為戌時，狗開始守夜。晚上九時到十一時，為亥時，此時萬籟俱寂，豬正在鼾睡。
關於十二生肖的排列，還有各種傳說，這類故事，或似開心解悶的笑談，或似貶惡揚善的寓言，文學成分較濃。但是，生肖座次的排定，決非一朝一夕，也不是一代人所能完成的。最初未必就是一次提名十二種，也許只有四五個，也許曾有過超額的局面，後來優勝劣汰，定額定員並定位了，一直傳至今日。