最早的脊椎生物（vertebrate creatures）是出现在寒武纪初期的原始鱼类，不过真正带有脊椎骨的硬骨鱼，还要等到1亿年之后的志留纪晚期才会出现。从化石证据中显示，脊索动物（chordata animals）的出现，或许最早可以追溯到5.5亿年前，是在脊椎动物分类成自己的亚门之前，而最原始的鱼类（脊椎动物）是出现在5.25 -5.18亿年前左右。

梦幻鬼鱼（Guiyu oneiros）是最早的硬骨鱼类之一，出现在距今4.19亿年前。回到历史上的志留纪末期和泥盆纪初期，大概介于4.2-4亿年前，出现了许多带有盔甲骨板（armor plates ）或带壳（膜骨dermal bones）的鱼，它们实际上已经存在数千万年了， 而体内出现软骨或骨头算是进化中的创新。尽管脊椎动物实际上是在志留纪晚期左右出现，但是脊椎动物亚门的物种，似乎很早就出现在寒武纪的初期，例如昆明鱼（Myllokunmingia）距今约5.25-5.20亿年前， 而海口鱼（Haikouichthys），长吻钟健鱼（Zhongjianichthys rostratus）和瓦卡提·后斯普里格鱼（Metaspriggina walcotti），全都出现在5.25-5.18亿年前的化石记录中。

如今，脊索动物门中分成三个亚门，分别为头索动物（Cephalochordata），脊椎动物，和尾索动物（Urochordata）。在化石记录中，脊椎动物出现的时间跟尾索动物（海鞘sea squirts）和头索动物（文昌鱼lancelets）的时间点很接近。寒武纪早期的皮卡虫（Pikaia）和云南虫（Yunnanozoon），两者似乎是化石记录中最早出现的头索动物，距今可能有5.24亿年。而山口海鞘（Shankouclava shankouense）似乎是化石记录中最早出现的尾索动物，不过也有另一种怀疑是，5.55-5.48亿年前，埃迪卡拉纪时期的奥西亚虫（Ausia fenestrata）和一种非常原始叫Yarnemia的海鞘，才是最早的尾索动物。

在古代，有一些非常奇怪的脊椎动物，如来自伊利诺伊州的化石-塔利怪兽Tully monster（Tullimonstrum gregarium），距今有3.09-3.07亿年，它似乎是一种脊椎动物，七鳃鳗可能跟这个家族是比较有关系的，塔利怪兽是属于那一类的，各界看法不一。

塔利怪兽是最早的脊椎动物吗？