カンブリア紀のバージェス動物群（5億1500万年前）のひとつとして発見されたピカイアがナメクジウオによく似ていると言われる。そのため、これが脊椎動物のもっとも古い先祖と言われたこともある。しかし、それよりやや前の澄江動物群から発見されたハイコウイクチスが当初は頭索類ではないかと言われたが、頭に当たる構造が確認されたことで脊椎動物と考えられるに至った。したがって、それらの系統の分岐はさらに遡ると考えられる。また、同じくユンナノゾーンも当初は頭索類とされながら、現在では半索動物と考えられるに至った。
身体の中心を貫く脊索と、その上に走る神経管、それに消化管の咽頭に鰓裂を持つことなどは脊椎動物と共通する特徴であり、しかし骨格を発達させず、神経管が前端で脳を作らず、またそれを頭蓋が覆わない点で脊椎動物とは異なる。かつてはこのような脊椎動物と共通の特徴を持ちながら無脊椎であるものを原索動物として一つの動物門にまとめた。しかし現在ではこれら全てが単系統を成すものと見なし、まとめて脊索動物として扱う。原索動物に含まれていたものとしては他にホヤやオタマボヤなどの群があり、これらは脊索が尾の部分にしか存在しないので、これを尾索動物という。これに含まれる多くのものは幼生の時期にのみそれが見られ、成体では消失する。本群は脊索を終生に渡って持ち、またそれが頭部にまで達することからそれと独立の群と認める。脊索動物は、従って脊椎動物、尾索動物、それに本群の3つの亜門から構成されている。なお、脊索は持たないが鰓裂を持つものに半索動物門があり、これも脊索動物と系統的に近いと考えられている。
雌雄異体であり、精子と卵を体外に放出し、体外受精を行う。無性生殖は行わない。初期発生は両生類のそれに類似する。中胚葉は最初に典型的な腸体腔の形を取り、原腸の前方から数対がくびり出されて生じる。が、その後方には裂体腔の形で対を成して作られ、その後でそれらがつながって前後に伸びる1対の真体腔となる。幼生は当初はプランクトンとして成長し、体表に繊毛があってこれにより摂食しながら成長する。特に与えられた名前はないようである。幼生の体制はほぼ成体と変わらず、形はより細長い。はっきり異なるのは消化系、特に咽頭が未発達であることと、囲鰓腔がないことである。幼生の口がまず体の左側に開く。鰓裂も左側の列が腹面にまず開き、この時点では咽頭は外界に裸出している。次に右側の鰓裂を右の背面側に生じ、それから咽頭の上、両側に突出部ができて、それが伸びて咽頭を覆い、腹面で出水孔を残して癒合し、囲鰓腔が完成する。これに合わせて口が下面に移り、成体の形になる。
全世界の暖かい浅海に生息している。ただし1種のみ、ゲイコツナメクジウオは深海から発見されている。体全体を左右にくねらせて素早く泳ぐことができるが、通常は海底の砂のなかに潜って生活している。ホヤなどと同様、水中の食物を濾過することで摂食している。鰓裂は水中の食物を濾（こ）しとる役割も果たしている。まず内柱が粘液を分泌し、これが鰓嚢全面に広がる。鰓裂には繊毛があり、これによって口から海水が流れ込むと、そこに含まれる微小藻類などの微粒子は粘膜に吸着される。粘液はそれらを含めて腸に入り、それらの微粒子が餌となる。鰓嚢を出た海水はそれを囲む腔所である囲鰓腔に出て、その後方腹面に開く出水孔から外に出る。
基本的には左右相称の動物。身体は細長く、左右から扁平で、前後が尖った魚形をしている。表皮はクチクラ化しており、半透明。外部には目立った感覚器や突出部はない。最先端には以下にある光受容器が眼点の形で存在する。背側の過半と腹側の出水口より後方の縁はひれ状にやや隆起してひれ小室と呼ばれる構造が並び、それぞれ背ひれ、腹ひれと呼ばれる。後方のひれ小室を伴わない部分は尾ひれとして区別される。先端部の腹面に口がある。腹面中程やや後方には出水孔が開き、それよりずっと後方に肛門が開く。口はその周囲に短い突起が並び、これを外触手（外鬚とも）という。これは並んで口を蓋するように配置し、摂餌の時に異物が混入するのを防ぐ意味があると考えられる。外触手の基部は触手間膜でつながっている。口の後方には左右1対の稜が走り、それらは後方に伸びてその終点に出水孔がある。
ハワード大学で芸術の学士号とジュリアード学院で演劇の学位を取得後、舞台やテレビドラマで活躍し、2004年に映画デビュー。いくつかの映画に出演しており、映画『レント』でモーリーン・ジョンソン(イディナ・メンゼル)の恋人の弁護士であるジョアン・ジェファーソン役で最もよく知られている。ブロードウェイ公演ではフレディ・ウォーカーがジョアン役を演じていたが年齢を理由に降板していた。トムズは役が決まる前から舞台版『レント』のファンでブロードウェイに何度も観に行っていた。2007年、『レント』共演者のウィルソン・ジャメイン・ヘレディアとロザリオ・ドーソンと共に映画『Descent 』に出演した。同年、クエンティン・タランティーノ監督映画『デス・プルーフ in グラインドハウス』にドーソンと共に出演した。2004年、レジーナ・テイラーの『Drowning Crow 』でブロードウェイ・デビューした。その後も何度か舞台に立ち、2008年7月18日、『レント』ファイナル・キャストにジョアン役で参加し、7月26日から出演した。最後のステージはDVD『Rent: Filmed Live on Broadway 』に収録されている。2010年8月6日から8日、ニール・パトリック・ハリス演出の他のプロダクションによる『レント』でジョアン役を再び演じた。その他の大役に『デス・プルーフ in グラインドハウス』にキムがある。テレビドラマでは『コールドケース 迷宮事件簿』にキャット・ミラー役で第3シーズンから最終第7シーズンまでレギュラー出演している。