自從 5 億多年前它們微小、半透明的祖先在世界海洋中游泳以來，脊椎動物已經走過了漫長的道路。以下是對主要脊椎動物群的大致時間順序調查，範圍從魚類到兩棲動物再到哺乳動物，以及介於兩者之間的一些著名的已滅絕爬行動物譜系（包括主龍類、恐龍和翼龍類）。
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魚和鯊魚
在 500 到 4 億年前，地球上的脊椎動物生活以史前魚類為主。像Pikaia和 Myllokunmingia這樣的海洋居民憑藉雙側對稱的身體計劃、V 形肌肉和沿著身體長度延伸的脊索（受保護的神經索）為後來的脊椎動物進化建立了模板。這些魚與它們的尾巴不同，這是寒武紀時期出現的另一項令人驚訝的基本創新。大約 4.2 億年前，第一批史前鯊魚從它們的魚類祖先進化而來，並迅速游到海底食物鏈的頂端。
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四足動物
眾所周知的「離水捕魚」，四足動物是第一批從海中爬出並在乾燥（或至少是沼澤）土地上定居的脊椎動物，這是在 400 到 3.5 億年前的泥盆紀期間發生的關鍵進化轉變時期。至關重要的是，第一批四足動物起源於葉鰭魚，而不是射線鰭魚，後者具有後來演變成脊椎動物的手指、爪子和爪子的特徵骨骼結構。奇怪的是，一些最初的四足動物的手和腳上有七個或八個腳趾，而不是通常的五個，因此最終成為進化的「死胡同」。