Первые остатки позвоночных, представленные фрагментами разнощитковых бесчелюстных, известны уже из верхнекембрийских отложений. «Панцирные» бесчелюстные многочисленны в силуре и девоне и к концу девона вымирают. В современной ихтиофауне бесчелюстные представлены круглоротыми (миноги и миксины). Предками рыб могли быть разнощитковые бесчелюстные. В силуре и девоне («веке рыб») формируются все классы рыб: пластинокожие, акантоды, хрящевые и костные. В позднем девоне от кистеперых рыб происходят первые земноводные — стегоцефалы. В карбоне — триасе стегоцефалы достигают большого разнообразия по величине, форме, строению позвоночного столба. К концу триаса стегоцефалы сокращаются в числе и к поздней юре вымирают. Из раннего триаса известны древнейшие бесхвостые. В юре появляются представители хвостатых. Безногие неизвестны в ископаемом состоянии.
Первые находки остатков рептилий известны из среднего карбона, в пермский период они достигают большого разнообразия в своих приспособлениях в окружающей среде. Среди них известны растительноядные, хищные, всеядные и моллюскоядные формы. С территории России наиболее хорошо изучены три позднепермских фаунистических комплекса пресмыкающихся: северодвинский — ср. Северной Двины, ишеевский комплекс — с Поволжья и очерский комплекс — из Пермской области. Представители этих фаун вымирают к концу триаса.
В мезозое, «веке пресмыкающихся», рептилии достигают своего расцвета. В триасе на суше распространены архозавры: текодонты, ящеротазовые динозавры, крокодилы и, возможно, появляются древние птицы, сохраняющие некоторые признаки своего происхождения от пресмыкающихся. В юре пресмыкающиеся осваивают все ниши жизни: на суше, в морях и воздухе. На суше широко распространены хищные и растительноядные динозавры; в морях большую роль играют крупные водные рептилии: ихтиозавры, завроптеригии, черепахи, крокодилы; в воздухе господствуют птерозавры — крылатые ящеры. В меловом периоде рептилии прочно удерживают господствующее положение, но к началу палеогена вымирает большинство мезозойских групп пресмыкающихся и в кайнозой переходят только современные группы. В мелу существовали зубастые птицы, в кайнозое новые птицы достигают своего расцвета.