脊椎动物起源于寒武纪海洋，演化主线顺序：无颌类→有颌鱼类→肉鳍鱼→两栖类→爬行类；爬行类再分化出鸟类、哺乳类。

最早的脊椎动物是无颌类，没有上下颌，只能滤食、吮吸生活在海洋。之后演化出有颌鱼类，颌的出现大幅提升捕食能力，分为软骨鱼、硬骨鱼。其中肉鳍鱼拥有肉质偶鳍、原始肺，是登陆祖先。泥盆纪，肉鳍鱼逐步上岸，演化成两栖动物，为最早登陆的脊椎动物；但两栖类体外受精，卵无羊膜，繁殖离不开水。古生代晚期，部分两栖类演化出爬行动物，产生羊膜卵，彻底摆脱对水环境繁殖依赖，征服陆地。爬行动物分为两大支：一支演化成鸟类（恐龙的一支，恒温、卵生）；另一支演化成哺乳动物（恒温、胎生哺乳）。

进化总趋势：水生→陆生；变温→恒温；体外受精→体内受精；无羊膜卵→羊膜卵；简单神经系统向高度发达脑演化。

脊椎动物进化的主要阶段包括：
1. 无颌类阶段（最早脊椎动物，寒武纪 — 志留纪）：代表如海口鱼、七鳃鳗。没有上下颌，无真正的颌骨，靠滤食或吸食，全部水生，是最原始的脊椎动物。

2. 有颌鱼类阶段（志留纪 — 泥盆纪，“鱼类时代”）：出现上下颌，捕食能力大幅提升，分软骨鱼、硬骨鱼。其中肉鳍鱼类有肉质鳍和原始肺，是登陆脊椎动物的祖先。

3. 两栖类阶段（泥盆纪晚期开始）：最早登陆的脊椎动物，四肢由肉鳍演化而来。体外受精，卵无羊膜，繁殖离不开水体，水陆两栖。

4. 爬行类阶段（石炭纪末）：演化出羊膜卵，繁殖不再依赖水，真正适应陆地生活。古爬行类是鸟类、哺乳类的共同祖先。

5. 鸟类与哺乳类（并行演化分支）：古爬行类分化两支。一支演化成鸟类（恐龙后裔，恒温、卵生）；另一支演化成哺乳动物（恒温、胎生哺乳）。