自从 5 亿多年前它们微小、半透明的祖先在世界海洋中游泳以来，脊椎动物已经走过了漫长的道路。以下是对主要脊椎动物群的大致时间顺序调查，范围从鱼类到两栖动物再到哺乳动物，以及介于两者之间的一些著名的已灭绝爬行动物谱系（包括主龙类、恐龙和翼龙类）。
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鱼和鲨鱼
在 500 到 4 亿年前，地球上的脊椎动物生活以史前鱼类为主。像Pikaia和 Myllokunmingia这样的海洋居民凭借双侧对称的身体计划、V 形肌肉和沿着身体长度延伸的脊索（受保护的神经索）为后来的脊椎动物进化建立了模板。这些鱼与它们的尾巴不同，这是寒武纪时期出现的另一项令人惊讶的基本创新。大约 4.2 亿年前，第一批史前鲨鱼从它们的鱼类祖先进化而来，并迅速游到海底食物链的顶端。
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四足动物
众所周知的“离水捕鱼”，四足动物是第一批从海中爬出并在干燥（或至少是沼泽）土地上定居的脊椎动物，这是在 400 到 3.5 亿年前的泥盆纪期间发生的关键进化转变时期。至关重要的是，第一批四足动物起源于叶鳍鱼，而不是射线鳍鱼，后者具有后来演变成脊椎动物的手指、爪子和爪子的特征骨骼结构。奇怪的是，一些最初的四足动物的手和脚上有七个或八个脚趾，而不是通常的五个，因此最终成为进化的“死胡同”。