Los animales vertebrados tienen una larga historia evolutiva. Los biólogos consideran que los vertebrados evolucionaron durante millones de años a partir de animales similares a las actuales lancetas, las cuales remueven la arena del lecho marino y filtran el alimento del agua. Las lancetas poseen ciertos rasgos similares a los vertebrados, incluyendo una estructura de soporte denominada notocorda que se extiende a lo largo de toda la longitud de su cuerpo. En las lancetas, la notocorda es la única parte dura del cuerpo y permite al animal avanzar serpenteando sin perder su forma. En la mayoría de los vertebrados, la notocorda se pierde al principio del desarrollo y su función es asumida por los huesos. Las características compartidas por lancetas y vertebrados hacen que los científicos los clasifiquen juntos en el filo Cordados.
Los científicos desconocen cómo tuvo lugar exactamente la transición de lancetas a vertebrados. Los fósiles de animales parecidos a peces encontrados en China indican que los vertebrados evolucionaron al principio del periodo cámbrico, un intervalo de tiempo geológico que comenzó hace unos 570 millones de años. Estos peces carecían de esqueleto óseo y de dientes (los científicos sugieren que sus estructuras esqueléticas estaban formadas por cartílago); sin embargo, tenían hendiduras branquiales y una organización muscular similar a la de los peces actuales. Una vez que los vertebrados adquirieron partes del cuerpo duras, aumentó el número de restos fósiles encontrados. Los peces denominados ostracodermos, que tenían placas óseas cubriendo su cuerpo, aparecieron por primera vez en el periodo cámbrico tardío, hace unos 500 millones de años. Los ostracodermos carecían de mandíbulas, como las actuales lampreas y mixinos. Probablemente, se alimentaban introduciendo agua en la boca y tragando cualquier alimento que flotaba en ella.
Con el desarrollo de las mandíbulas, los vertebrados adquirieron una característica valiosa en la lucha por la supervivencia, que les proporcionó la posibilidad de obtener alimentos de diferentes formas. Las mandíbulas aparecen por primera vez en el grupo de los peces, hace unos 420 millones de años, durante el silúrico. A diferencia de los primeros vertebrados, los peces con mandíbula desarrollaron esqueletos internos complejos y pares de aletas que les ayudaban a maniobrar al perseguir su alimento o escapar de sus enemigos. A lo largo de los años, la evolución ha originado vertebrados con diferentes tipos de cuerpos y conductas; como consecuencia, los vertebrados pueden encontrarse hoy en día en casi todos los lugares.
