動物界から脊椎動物に至る系統樹は下記のとおりである。なお、脊椎動物から遠い系統群の詳細は省略している。省略部分の詳細は「動物」の項目を参照されたい。
左右相称動物.
例外も多いが、基本的に下記のような特徴を持つ：
後口動物.
脊索動物.
脊索動物は脊椎動物を含む動物門で、（一生のうち少なくとも一時期に）脊索を持つという特徴をもつ。詳細後述。
脊索動物門における脊椎動物の特徴・進化.
脊索動物の特徴.
脊索動物における脊椎動物の特徴や進化した点を見るため、本節では脊索動物の特徴を簡単に述べる。脊索動物は下記のような特徴を持つ：
頭索動物（ナメクジウオ）は以下のような特徴を持つ：
尾索動物（ホヤ類）は次のような特徴を持つ：
またホヤ類は「他の脊索動物と分岐した後に、成体で脊索動物の特徴を失ったと考えられる」。
初期の脊索動物からの進化.
現生種の解析から分かる事実.
現生種の遺伝子の解析等から、以下のことが分かっている。
進化史.
オルドビス紀からシルル紀の間に脊椎動物はさらに進化して、半規管を持つ内耳の獲得により平衡感覚を保ち、対鰭も獲得した。また筋肉質の咽頭を持ち、これにより海底に住む生物や有機堆積物を吸い込んで食べていたと考えられている。またこの頃には硬骨の甲皮で身を守る遊泳性の脊椎動物が数多くいたが、デボン紀末に全て絶滅した。
脊椎動物の特徴.
他の脊索動物との差異.
脊椎動物においては、他の脊索動物が持つ特徴である脊索や咽頭裂は以下のように変化している：
脊椎動物の派生形質.
多くの脊椎動物では脊椎骨が神経管を取り囲んでおり、また胚において神経管が閉じつつある際に神経管の背側に神経堤が形成されるという特徴がある。「神経堤は胚の中で移動し、歯、頭蓋骨の一部や軟骨、神経、眼などの感覚器官の原基など、さまざまな構造をつくり出す」。
脊椎動物から羊膜類に至る系統樹.
脊椎動物の系統樹は以下の通りである。右下に太字で描いた「四肢動物」は「魚類以外の脊椎動物」を表し、脊椎動物以下で四肢動物を除いたものが「魚類」である。
円口類.