Дальние предки современных овцебыков жили в конце миоцена в высокогорьях Центральной Азии. Около 3,5 млн лет назад, когда климат стал заметно холоднее, предки овцебыков спустились с Гималаев и распространились по территории Сибири и остальной северной Евразии. Во время иллинойсского оледенения овцебыки по Берингову перешейку проникли в Северную Америку, а оттуда в Гренландию. В поздний плейстоцен началось резкое сокращение популяций овцебыков, связанное с потеплением климата. Овцебыки и северные олени — единственные копытные млекопитающие Арктики, пережившие позднеплейстоценовое вымирание.