從誌留紀中期開始，全世界許多被海水淹沒的地區，都發生了地殼升高為陸的變化；一些地區地殼比較平穩地大麵積升高，海水慢慢地退卻；還有一些地帶，地殼劇烈地褶皺，逐漸形成綿亙的山脈，這就是所謂的造山運動。在誌留紀晚期，我國南部和北歐等地，都有造山運動發生。到了泥盆紀，陸地的範圍更為擴大，雖然其間也有海水漫上大陸的時候。
從海到陸的變化，促使原來在海裏生活的生物向陸地上轉移。
動物登上陸地比植物要晚，但在泥盆紀時也開始有了原始的兩棲類。到了石炭、二疊紀時，地球上變成了兩棲類的天下。
兩棲動物，第一種呼吸空氣的陸生脊椎動物，由化石可以推斷，它們出現在3.6億年前的泥盆紀後期，直接由魚類演化而來。這些動物的出現代表了從水生到陸生的過渡期。兩棲動物生命的初期有鰓，當成長為成蟲時逐漸演變為肺。兩棲動物的字源來自希臘文，這是因為兩棲類可以同時生活在陸上和水中。
作為第一批登陸的脊椎動物，兩棲動物有著最長的發展曆史，但是關於兩棲動物起源和演化的曆史，現在仍然不很明確。
最早的兩棲動物是出現於古生代泥盆紀晚期的魚石螈和棘魚石螈，它們擁有較多魚類的特征，如尚保留有尾鰭，並且未能很好地適應陸地的生活。魚石螈和棘魚石螈代表魚類和兩棲動物之間的過渡類型，但是新近的研究表明它們隻是兩棲動物早期進化的一個旁支，不是其他兩棲動物的祖先類型，真正最原始的兩棲動物尚待發現。進入石炭紀後，兩棲動物迅速分化，並在古生代的最後2個紀石炭紀和二疊紀達到極盛，這個時代也因此稱為兩棲動物時代。這個時期的兩棲動物多種多樣，適應不同的生存環境，有些相當適應陸地生活，有些則又回到了水中，有些大型的種類可以長到4~8米長，習性頗似現代的鱷魚，還有不少相貌奇特的種類。與現在的兩棲動物不同，這些早期的兩棲動物身上多具有鱗甲。在古生代結束後，大多數原始兩棲動物滅絕，隻有少數延續了下來，而新型的兩棲動物則開始出現。
魚石螈和棘魚石螈的牙齒有類似總鰭魚的迷路，被歸入兩棲動物綱的迷齒亞綱。魚石螈和棘魚石螈組成了迷齒亞綱的魚石螈目，魚石螈目自泥盆紀晚期出現後延續到了石炭紀早期，而在石炭紀早期迷齒亞綱的另外2個目也已經出現。迷齒亞綱的這2個目分別代表兩棲動物的主幹類型和兩棲動物中向著爬行動物進化的類型。離片椎目是兩棲動物的主幹類型，在石炭蜥螈紀和二疊紀時遍布世界各地，而在古生代結束時離片椎目的一些成員仍然繁盛了一段時間，是原始兩棲動物中唯一延續到中生代的代表，有些甚至到中生代後期才滅絕，這些中生代的迷齒類分布廣泛，體型巨大，如三疊紀的乳齒螈，頭骨長度就超過1米，主要生活在水中。向著爬行動物進化的類型是石炭螈目，主要發現於歐洲和北美，一直不很繁盛。石炭螈目中最著名的當屬二疊紀的蜥螈，蜥螈同時具有兩棲動物和爬行動物的特征，對於其到底是兩棲動物還是爬行動物曾經有爭議，直到發現了蜥螈的蝌蚪才確認其是兩棲動物。因為蜥螈生活的時代要晚於最早的爬行動物，所以不可能是爬行動物的祖先，而爬行動物的祖先尚待發現。另一類與爬行動物非常相似的兩棲動物是闊齒龍類，它們曾經被置於爬行動物的杯龍類，後來發現世界上是兩棲動物。