O grupo de animais mais próximos dos vertebrados são os Tunicata, grupo que inclui as ascídias, sendo que os tunicados teriam perdido características compartilhadas pelos vertebrados e Cephalochordata ao longo de sua evolução.
Os primeiros vertebrados surgiram no ambiente marinho, sendo que ao longo da história evolutiva deste Clado, provavelmente surgiram dentículos faríngeos mineralizados antes do Esqueleto dérmico.A maioria dos fósseis de vertebrados com informações anatômicas são datados de aproximadamente 470 milhões de anos atrás, na era Paleozoica. Há diversos fósseis classificados como Agnatha (sem mandíbula), assim como lampreias e feiticeiras, que indicam uma transição entre os vertebrados sem mandíbula e os Gnatostomados, que apresentam mandíbulas. Estes fósseis, denominados Ostracoderme, já apresentavam um esqueleto dérmico calcificado. Já nos fósseis dos períodos Cambriano e Ordoviciano é possível detectar uma diversidade de vertebrados. A alta radiação de novas formas de Vertebrados, originando muitos grupos ainda vivos, provavelmente se devem a fatores extrínsecos aos organismos, como a elevação do nível dos mares.
A presença de células da crista neural contribuíram para o surgimento da diversidade das características anatômicas que tornam os vertebrados únicos. Além das características morfológicas, os vertebrados são os únicos animais que apresentam duplicação do complexo dos Genes Hox inteiro, o qual regula a expressão e hierarquia de demais genes do organismo.
