从文献记载来看，黄帝时代就有十二地支，它跟白羊、金牛、双子、巨蟹等十二星座有关，最早的十二地支、十二星座都代表着每年十二个不同的月令、节令。殷商时期发明了甲、乙、丙、丁等十个计算与记载数目的文字，后来研究命理的人把它称为天干，并使之与地支结合运用，如甲子、乙丑等，用于计年、月、日、时。
相传以十二种动物取代十二地支，来代表十二个月令，是汉朝东方朔的杰作。有明确记载的是东汉王充所写《论衡》中的《言毒篇》，他提到了十二种动物的名称。用十二生肖来计年，也起于东汉。清朝赵翼所著《陔余从考》也指出这一史实。
至于为什么要选定十二种动物作标志，最早可能与图腾有关。古代各部落都选一种特别惧怕或特别喜爱的动物，以其图案作为本部落标志。宋代洪巽的《旸谷漫泉》、明朝郎瑛的《七修类稿》等对此都作了解释。另外佛经《大集经》记有十二生肖轮流游行的故事，但其中无虎而有狮子，因此有人认为，十二生肖是由古印度传入中国的，以虎代狮，可能与中原不产狮有关。
也有人认为，十二生肖首先出现于记时。一昼夜是二十四小时，古代天文学家将昼夜分为十二时辰。同时他们在观天象时，依照十二种动物的生活习惯和活动的时辰，确定十二生肖。夜间十一点至次日凌晨一点，属子时，正是老鼠趁夜深人静，频繁活动之时，称“子鼠”。
凌晨一点至三点，属丑时。牛习惯夜间吃草，农家常在深夜起来挑灯喂牛，故称“丑牛”。凌晨三点至五点，属寅时。此时昼伏夜行的老虎最凶猛，古人常会在此时听到虎啸声，故称“寅虎”。清晨五点至七点，属卯时。天刚亮，兔子出窝，喜欢吃带有晨露的青草，故为“卯兔”。
早晨七点至九点，属辰时。此时一般容易起雾，传说龙喜腾云驾雾，又值旭日东升，蒸蒸日上，故称“辰龙”。上午九点至十一时，属巳时。大雾散去，艳阳高照，蛇类出洞觅食，故作“巳蛇”。中午十一点至一点，属午时。古时野马未被人类驯服，每当午时，四处奔跑嘶鸣，故称“午马”。
午后一点至三点，属未时。有的地方管此时为“羊出坡”，意思是放羊的好时候，故称“未羊”。下午三点至五点，属申时。太阳偏西了，猴子喜在此时啼叫，故为“申猴”。下午五点至七点，属酉时。太阳落山了，鸡在窝前打转，故称“酉鸡”。傍晚七点至九点，属戌时。
人劳碌一天，闩门准备休息了。狗卧门前守护，一有动静，就汪汪大叫，故为“戌狗”。夜间九点至十一点，属亥时。夜深人静，能听见猪拱槽的声音，于是称作“亥猪”。就这样，一天的时辰和动物搭配就排列了下来：子鼠、丑牛、寅虎、卯兔、辰龙、巳蛇、午马、未羊、申猴、酉鸡、戌狗、亥猪。
后来人们把这种纪时法用于纪年，就出现了十二生肖。
对十二种动物配十二时辰，还有一类似的说法。据说天地生成于子时，生之初，没有缝隙，气体跑不出来，物质无法利用，被老鼠一咬，出了缝隙，才使气体跑出来，物质便能利用了。
老鼠有打开天体之神通，子时就属鼠了。老鼠打开了天地之缝，牛便出来耕耘在地，于是丑时就属牛了。传说人生于寅，“寅”字有敬畏之意，古时人最怕老虎，寅时便属虎了。卯时已经进入清晨，但太阳还没有出来，照亮大地的还是月亮，而月宫中唯一的动物是“玉兔”，于是卯时便属兔。
传说辰时正是群龙行雨的时候，此时自然属龙了。蛇善于利用草掩藏其行踪，据说巳时蛇不在人行走的路上游动，不能伤人，所以巳时属蛇。午时阳气达到极限，阴气刚欲产生，马跑离不开地，是属阴类动物，故午时属马。传说羊吃了未时的草，并不影响草的再生，未时就属羊了。
申有“伸”的意思，而猴子最善于伸屈攀登，故申时属猴。本时鸡开始归窝，此时当属鸡。戌时天渐渐黑了，狗开始“工作”，看家望门护院，这时就属狗。亥时已入夜，万物寂静，天地混沌，而猪和天地混沌一样，除“吃”以外一无所知，亥时自然就属猪了。
《法苑珠林》引《大集经》言十二生肖由来曰：“阎浮提外，四方海中，有十二兽，并是菩萨化导。
人道初生，当菩萨住窟，即属此兽护持、得益，故汉地十二辰依此行也。”又云：“其所以分配之义，则《旸谷漫录》言之颇详。据之，子、寅、辰、午、申、戌俱阳，故取相属之奇数以为名的鼠、虎、龙、猴、狗皆五指，而马单蹄也；丑、卯、巳、未、酉、亥属阴，故取相属之偶数以为名的牛、羊、鸡、猪皆四爪，兔两爪，蛇两舌也。
”据此，十二种动物按足趾奇偶排列为：牛四趾，为偶；虎五趾，为奇；兔四趾，为偶；龙五趾，为奇；蛇无趾却两舌，为偶；马一趾(单蹄)，为奇；羊四趾，为偶；猴五趾，为奇；鸡四趾，为偶；狗五趾，为奇；猪四趾，为偶；十二种动物中，只有鼠最特殊，前足为四趾，为偶；后足五趾，为奇。
这样，原是奇、偶全占，因此就排在了十二种动物首位了。
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