脊索动物的主要特征是具脊索、背神经管、鳃裂。所谓的脊索，是消化道背部起支持作用的棒状结构。高等脊索动物只在胚胎期出现，以后被脊柱所代替。这类动物有明显的头部，神经管分化为5部脑和脊髓，除圆口类外，都具有上下颌，有完善的循环系统（1房1室～2房2室）。包括6纲：圆口纲、鱼纲、两栖纲、爬行纲、鸟纲和哺乳纲。
鱼类，已探明的约24000余种，是脊椎动物中最原始、最低级的一群，其体型适合于在水中生活，是用鳃呼吸、用鳍运动、以颌摄食的变温水生动物。一般从海拔6000m的高原溪流到万米以下的深海，都有鱼类的分布。它们在长期的演化过程中，成为脊椎动物中种类最多的类群。约60%生活在海洋，40%生活在淡水。某些鱼类在一定时期会聚集成群，沿着一定路线做距离不等的迁移活动，以满足生殖、索食、越冬等方面的需要，并在经过一段时期后重返原地，这就是洄游。鱼类的起源和演化中，最重要的特征是颌的出现。作为脊椎动物，它有个缺点，就是没有颈椎，也就是没有脖子。体外受精的形式易于受到环境的影响。鱼肉富含动物蛋白质和磷质等，营养丰富，滋味鲜美，易被人体消化吸收，对人类体力和智力的发展具有重大作用。鱼体的其他部分可制成鱼肝油、鱼胶、鱼粉等。有些鱼类如金鱼、热带鱼等体态多姿、色彩艳丽，具有较高的观赏价值。
两栖类，现存2500种，有穴居、水生、陆生跳跃3种特化方向，是脊椎动物中从水生到陆生的过渡类群。因此，分析它所生存的环境以及形成的适应机制，是非常必要的。我们知道，陆地环境与水环境相比较，温度的变化幅度较大，氧气是存在于空气之中的，气体环境的密度较小，陆上的湿度也与水体有着很大的不同。因此，两栖类要从水中到陆地上来生活，必须解决如何运动、呼吸、水分蒸发、繁殖、维持体温等问题。在长期的演化过程中，两栖类动物出现了五趾型的附肢，用肺呼吸。同时，出现了颈椎，具有了更加发达的神经系统和感官。由于它不能很好地解决体表水分蒸发的问题，所以依然离不开水的环境。尤其是在繁殖方面，两栖动物依然是体外受精，这就决定了它不能在陆地上进行繁殖。不过，与鱼类相比较，虽然同样是水中的体外受精，两栖类动物有时候雌雄之间有“抱对”现象，这可提高受精的效率。此类动物中的大鲵，俗称娃娃鱼，是世界现存最大的两栖动物，为中国特有种。头部扁平，钝圆，口大，眼小，无眼睑。身体前半部扁平，至尾部逐渐转为侧扁。体两侧有明显的肤褶，四肢短扁，指、趾前五后四，具微蹼。体表皮肤黏滑。栖息于清澈的山涧溪流中，尤喜清凉的深潭。独居在水草繁茂，有回流、阴暗的土窟或岩洞里。夜间外出觅食，以蛙、蟹、螺、鱼等水栖动物为食。主要分布于华北、华南、西南等地。
爬行类，为陆上繁殖，胚胎具有羊膜的变温脊椎动物。现存5000多种，分属龟鳖目、喙头目、有鳞目、鳄目等4目。脊椎动物从水生过渡到陆生，首先必须解决陆地上繁殖的问题。爬行动物的雄性，普遍出现了交接器，可以使受精作用摆脱水的束缚。同时，羊膜、羊水的出现，使胚胎在其中受到保护和滋润，这也是陆上繁殖的保障。爬行动物在防止身体水分的蒸发及陆上运动方面，也超过了两栖动物：皮肤干燥，有来源于表皮的角质鳞片（如蛇），或有来源于真皮的骨板（如龟），这对防止水分的散失很有好处；具有四足动物的基本形态，指（趾）端有爪，四肢较两栖类强健，颈部明显，尾巴发达。中生代是爬行类的时代，地球上充斥着各式各样的古爬行动物，包括躯体庞大的恐龙。在这长达1亿年的时间之中，地球上气候十分稳定，季节上和纬度上的温度差异很小，大型爬行动物依靠其自身的作用就可维持体温的稳定。中生代末期，地球发生了剧烈的造山运动，使环境、气候发生大的改变，植物的类型也发生了变化，这给狭食性的古爬行类带来了灾难，加之恒温动物尤其是哺乳类的兴起，导致了爬行类黄金时代的终结。
鸟类，是体表被覆羽毛、有翼、恒温、卵生的高等脊椎动物。鸟类有羽毛、翼，能够飞翔，这使它可以进行快速的捕食、快速的逃逸，并远距离寻找适宜的环境。鸟类的身体保持恒温（37～44.6℃），新陈代谢旺盛，因而对环境的依赖性减少。具有发达神经系统和感官，能够更好地调节复杂行为。鸟类有着完善的繁殖方式和行为，其占区、营巢、孵卵、育雏等能够保证后代较高的存活率。生殖为泄殖腔孔的对接受精，少数鸟类的泄殖腔突起形成交接器，如鸵鸟、雁、鸭、鹅等，这保证了受精作用可以离开水。由于地理、日月星辰、磁场、记忆等方面的因素，许多鸟类能够迁徙和定向。全世界现有鸟类9700余种，我国有1300多种，可以分为平胸总目（如鸵鸟）、企鹅总目（如企鹅）、突胸总目（如天鹅）。其中，突胸总目包括现存鸟类的绝大部分，分布遍及全球。它们的共同特征是，翼发达，胸骨有龙骨凸起。根据生活方式和形态特征，可以分为游禽、涉禽、猛禽、攀禽、陆禽、鸣禽等6类。由于植被的破坏、农药的使用、人类的猎杀等原因，鸟类的生存环境日益恶劣。目前，我国列为一级保护的鸟类有37种，包括短尾信天翁、白鹳、黑鹳、朱鹮、金雕、胡兀鹫、雉鹑、红胸角雉、褐马鸡、白颈长尾雉、绿孔雀、丹顶鹤、白鹤等。
哺乳动物，是哺乳、全身被毛的恒温脊椎动物。哺乳动物与鸟类，都是从爬行动物起源的，它们以自己的方式适应陆生生活。哺乳动物的雄性有外生殖器，使受精作用不需要依靠水的环境。雌性有子宫，其中的胎盘在母体与胎儿之间建立了完善的关系：胎儿可以从母体源源不断地得到营养，同时又不会轻易受到母体中不良成分的作用。哺乳的行为，比鸟类的育雏更胜一筹，可以避免外界环境的不利影响。这些，加上胎生，都使后代的存活率有了很大的保证。现存哺乳动物约5400种，我国600余种。分为原兽亚纲（如鸭嘴兽，无阴茎）、后兽亚纲（仅有袋类1目）、真兽亚纲（包括灵长目，有胎盘）。最早的哺乳动物是一些个体小如鼠的种类，在大型爬行动物繁盛的中生代早期得以生存和延续。中生代末期的时候，随着大型爬行动物的消失，哺乳动物逐渐占据了空出的生态位。到第三纪的时候，哺乳动物变得繁盛。
