脊椎動物數量最多，結構最複雜，進化地位最高，由軟體動物進化而來。它們形態結構彼此懸殊，生活方式千差萬別。脊椎動物除具脊索動物的共同特征外，其他特征還有：①出現明顯的頭部，中樞神經係統成管狀，前端擴大為腦，其後方分化出脊髓。②大多數種類的脊索隻見於發育早期（圓口綱、軟骨魚綱和硬骨魚綱例外），以後即為由單個的脊椎骨連接而成的脊柱所代替。③原生水生動物用鰓呼吸，次生水生動物和陸棲動物隻在胚胎期出現鰓裂，成體則用肺呼吸。④除圓口綱外，都具備上、下頜。⑤循環係統較完善，出現能收縮的心髒，促進血液循環，有利於提高生理機能。⑥用構造複雜的腎髒代替簡單的腎管，提高排泄機能，由新陳代謝產生的大量廢物能更有效地排出體外。⑦除圓口綱外，水生動物具偶鰭，陸生動物具成對的附肢。脊椎動物亞門包括：圓口綱、軟骨魚綱、硬骨魚綱、兩棲綱、爬行綱、鳥綱和哺乳綱。各綱的特征雖然有顯著差別，但組成軀體的器官係統及其功能基本一致。
.盾皮類盾皮類是戴盔披甲的魚類，它們是甲胄，和化石無頜類不同，是由覆蓋頭部的頭甲和包裹軀幹的軀甲兩個單元組成，東生清鱗魚就是很好的例子。盾皮類是一支古老的有頜脊椎動物，和其它魚類及高等脊椎動物一樣，最前麵的鰓弓發展成攝取食物的頜，頜上裝備了牙齒。頜的出現是脊椎動物進化中的一次重大革命，無頜類隻能被動地過濾水中的細小有機體，而有頜類可用頜主動攝取食物。盾皮類是一個種類紛繁的家族，泥盆紀為其全盛時期，但隨著泥盆紀的結束而趨於消亡。雲南魚、武定魚和般溪魚，是部分不同種類的盾皮類。
.魚類魚類中獲得最大成功的要屬硬骨魚和軟骨魚類，二者在泥盆紀時雖在種類和數量上還遠不能與無頜類的盾皮類匹比，在隨後的時間裏它們日益繁盛，現生的魚類都屬於這兩類。
硬骨魚類的一支，稱為肉鰭類，包括終鰭類的肺魚。因為終鰭類的鰭具有發達的肉質柄，柄內的骨骼和高等脊椎動物的四肢骨相似，所以科學家們相信它們中的一支是四足脊椎動物的祖先，在泥盆紀晚期發展出兩棲類，因此早期終鰭魚類特別受到古生物學家的青睞。發現於中國雲南早泥盆世的著名的揚氏先驅魚乃是當前所知最早的終鰭類代表。肉鰭類在中晚泥盆世甚是繁盛，以後逐漸衰落，現在殘存的僅有南美洲肺魚、澳洲肺魚和極為罕見的終鰭類拉蒂曼魚。
另一支硬骨魚類在古生代時身體都覆蓋厚重的菱形鱗片，因為鱗片表麵敷以發亮的名為硬質的物質，所以它們被稱為硬鱗魚類。像吐魯番鱈、長興魚、重慶魚和中華弓鰭魚都是這類的代表。至中生代後期，硬鱗魚類日趨衰落，現在還生存的硬鱗魚極為稀少，生活在中國長江的中華鱘堪你硬鱗魚類中的活化石，被列為國家一級保護動物。
在生存競爭、優勝劣汰的自然規律下，到中生代後期硬鱗魚逐漸被它們的後裔真骨魚取代。真骨魚類的鱗片由於硬質退化隻保留骨質基屑，因此薄而富有韌性，既不失去鱗片保護作用，又擺脫了硬鱗的沉重負擔，增加了靈活性。所以從中生代後期至今，真骨魚類在進化中不斷完善自己，長盛不衰，由海洋到江湖河流無處不在，成為世界上最寵大的脊椎動物。狼鰭魚和昆都倫魚都是原始的真骨魚類代表。
軟骨魚類除了覆蓋身體的細小盾鱗，所有骨胳都是由軟骨組成，從不骨化。現海洋中的各種鯊魚和銀鮫就是這類魚的代表。軟骨魚類從泥盆紀出現至今，在數量上一直沒有大起大落，隻有少數種類在古生代後期至中生代早期曾入侵到淡水中，大多數軟骨魚類局限於海洋。軟骨魚類之所以能夠一直延續下來，是得益於它們內受精和富含蛋黃的卵，這是繁衍後代的有力保證。因為軟骨魚類骨骼為軟骨性，在化石中不易保存，所以常見的化石是牙齒和鱗片。中華旋齒鯊化石，乃是其齒旋的一部份，這類牙齒在西藏珠峰也有發現。
海洋脊椎動物起源脊椎動物起源可能分五步。
高階元生物類別的起源曆來是進化生命科學的核心命題。包括人類在內的脊椎動物譜係總根底起源涉及到脊椎動物兩大類群間的演化關係，因而不僅是學術界長期探索的一個焦點問題，也是大眾普遍關注的一個科學熱點。現代動物學從各個不同層次進行探索，近年來取得了較為廣泛認同的脊椎動物起源分“四步走”的假說。該假說認為，在動物演化大樹的兩大基本分支譜係中，位於後口動物譜係頂端的脊椎動物與原口動物譜係沒有直接聯係。脊椎動物根植於後口動物脊椎係的演化輪廓是：從現在最低等的後口動物棘皮動物和半索動物為始點，先後經由僅在尾部具有脊索的尾索動物和脊索縱貫全身的頭索動物，最後通過脊椎和頭部構造的出現，誕生出該譜係的終端產物脊椎動物。然而學術界的共識是，這一基於現代動物學信息間接推測出來的假說到底是否可靠，還必須得到真實曆史資料的檢驗、修正和補充。