脊椎動物
まず5億3,000万年前(カンブリア爆発の頃)には、ハイコウエラ(英語版)というナメクジウオのような全長3センチメートルほどの生物の化石が発見されているが、この生物は脊椎動物の特徴を一部持ち合わせている。具体的にはナメクジウオと同様、懸濁物食をしていたと思われる口を持ち合わせている一方、脊椎動物のようなよく発達した脳、小さな眼、魚類に似た筋節構造を持っている。
ミロクンミンギアは頭部を獲得した最古の脊索動物だと考えられており、脳や眼を備えた頭部の獲得により複雑な動きや摂餌行動ができるようになったが、まだ脊椎は獲得していない。
最古の脊椎動物は5億年ほど前に現れており、その一つであるコノドント類は、軟骨性の内骨格しか持っていない。
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。
軟骨性の骨格が硬骨化したのは、4億7,000万年ほど前に甲皮が出現したのが始まりで、4億3,000万年前までには軟骨の内骨格を薄い硬骨が覆う種が現れ始め、その後、顎を獲得した脊椎動物で硬骨化が進んだ。
無尾目(カエル類、5420種ほど)、有尾目(サンショウウオ類、550種ほど)、無足目(アシナシイモリ目、170種ほど)からなる。 両生類は主に湿った表皮でガス交換しているため、その生息域は沼地や雨林など湿ったところにあり、乾燥に適応している種でも湿度の高い穴や湿った葉の下で過ごすことが多い。また両生類の卵は殻がなく、空気中では水分を急速に失ってしまう為、両生類は水中ないし湿った陸地に産卵する。多くの両生類は体外受精である。
両生類はカエルツボカビ症、気候変動、生息地の消失、環境汚染等が原因で、(2016年現在から見て)過去30年ほどの間に急速に減少している。
両生類
無尾目のニホンアマガエル
有尾目のエゾサンショウウオ
無足目のMicrocaecilia dermatophaga
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。
羽ばたいて飛行できた最初の四肢動物。前肢の一本の指から胴または後肢にコラーゲンでできた膜が翼として伸びているが、これは前肢から翼が伸びる鳥類や手に翼が伸びているコウモリとは構造が異なる。
三畳紀後期に出現し、6600万年前までには絶滅した。