十二生肖源于何时，今已难于细考。长期以来，不少人将《论衡》视为最早记载十二生肖的文献。《论衡》是东汉唯物主义思想家王充的名著。《论衡·物势》载：“寅，木也，其禽，虎也。戌，土也，其禽，犬也。……午，马也。子，鼠刀。酉，鸡也。卯，兔也。……亥，豕也。未，羊也。丑，牛也。……巳，蛇也。申，猴也。”以上引文，只有十一种生肖，所缺者为龙。该书《言毒篇》又说：“辰为龙，巳为蛇，辰、巳之位在东南。这样，十二生肖便齐全了，十二地支与十二生肖的配属如此完整，且与现今相同。
生肖为何取数十二？
《周礼·春官·冯相氏》载：“掌十有二岁，十有二月，十有二辰，十日，二十八星之位，辨其叙事，以会天位。”时间的分割以十二累进，一纪十二年，一年十二个月，一日十二时辰。《国语·晋语四》载：“黄帝之子二十五宗，其得姓者十四人，为十二姓。”甚至天子妻妾也有“十二女”之说，《后汉书·荀爽传》：“故天子娶十二妇，天之数也；诸侯以下各有等差，事之降也。”
近年,在神农架地区发现了汉族创世史诗《黑暗传》。其中有一个讲述干支来历的故事：“开天辟地之初，玄黄骑着混沌兽遨游，遇到女娲。女娲身边有两个肉包，大肉包里有十个男子，小肉包里有十二个女子。玄黄说：‘这是天干革命地支神，来治理乾坤的。’于是，为他们分别取名，配夫妻，成阴阳。男的统称天干，女的则为地支。”这一创世神话故事，讲干支，讲玄黄神、女娲神，讲乾坤阴阳，将干支的“身世”推溯得十分久远。
天乾地刊，古代历来以天为主、地为从。十天干又叫十母，对应的十二地支则别称十二子。汉代蔡邕《月令章句》：“大桡采五行之情，占斗纲所建，于是始作甲乙以名日，谓之干；作子丑以名月，谓之支。干支相配，以成六旬。”大桡是黄帝时代的大臣，这里的配成六旬，即六十甲子，取了天干十和地支十二的最小公倍数。干与支按顺序相配合，由甲子乙丑……一直排至癸亥为第六十对，正好干、支均用最末一位，再排便是重由甲子开始，这一循环称为一个甲子。其中，每个天干出现六次，每个地支出现五次。
十二生肖的产生，有着天文学的背景。在原始时代，先民们体验着寒暑交替的循环往复。宋代洪皓《松漠纪闻》载：“女真旧绝小，正朔所不及，其民皆不知纪年，问则曰‘我见青草几度矣’，盖以草一青为一岁也。”宋代孟珙《蒙鞑备录》也记：“其俗每草青为一岁，有人问其岁，则曰几草矣。”年又有观天者发现月亮盈亏周期可以用来丈量岁的长短，发现十二次月圆为一岁，这一发现，是初期历法最精度的成果之一，“十二”便视为传达天意的“天之大数”。天干需地支为伴，日月相对，天地相对，就非“十二”莫属了。
子鼠丑牛……戌狗亥猪。天下动物很多，古人为何选择了这十二种动物为属相？
清代刘献《广阳杂记》引李长卿《松霞馆赘言》：“子何以属鼠也？曰：天开于子，不耗则其气不开。鼠，耗虫也。于是夜尚未央，正鼠得令之候，故子属鼠。地辟于丑，而牛则开地之物也，故丑属牛。人生于寅，有生则有杀。杀人者，虎也，又寅者，畏也。可畏莫若虎，故寅属虎。犯者，日出之候。日本离体，而中含太阴玉兔之精，故犯属兔。辰者，三月之卦，正群龙行雨之时，故辰属龙。巳者，四月之卦，于时草茂，而蛇得其所。又，巳时蛇不上道，故属蛇。午者，阳极而一阴甫生。马者，至健而不离地，阴类也，故午属马。羊啮未时之草而茁，故未属羊。申时，日落而猿啼，且伸臂也，譬之气数，将乱则狂作横行，故申属猴。本者，月出之时，月本坎体，而中含水量太阳金鸡之精，故本属鸡。于核中，猪则饮食之外无一所知，故亥属猪。”
另一种说法，十二生肖的选用与排列，是根据动物每天的活动时间确定的。我国至迟从汉代开始，便采用十二地支记录本一天的十二个时辰，每个时辰相当于两面三刀个小时，夜晚十一时到凌晨一时是子时，此时老鼠最为活跃。凌晨一时到三时，是丑时，牛正在反刍。三时到五时，是寅时，此时老虎到处游荡觅食，最为凶猛。五时到七时，为犯时，这时太阳尚未升起，月亮还挂在天上，此时玉兔捣药正忙。上午七时到九时，为辰时，这正是神龙行雨的好时光。九时到十一时，为巳时，蛇开始活跃起来。上午十一时到下午一时，阳气正盛，为午时，正是天马行空的时候。下午一时到三时，是未时，羊在这时吃草，会长得更壮。下午三时到五时，为申时，这时猴子活跃起来。五时到七时，为酉时，夜幕降临，鸡开始归窝。晚上七时到九时，为戌时，狗开始守夜。晚上九时到十一时，为亥时，此时万籁俱寂，猪正在鼾睡。
关于十二生肖的排列，还有各种传说，这类故事，或似开心解闷的笑谈，或似贬恶扬善的寓言，文学成分较浓。但是，生肖座次的排定，决非一朝一夕，也不是一代人所能完成的。最初未必就是一次提名十二种，也许只有四五个，也许曾有过超额的局面，后来优胜劣汰，定额定员并定位了，一直传至今日。
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