无脊椎动物的出现至少早于脊椎动物1亿年。大多数无脊椎动物化石见于古生代寒武纪，当时已有节肢动物的三叶虫及腕足动物。随后发展了古头足类及古棘皮动物的种类。到古生代末期，古老类型的生物大规模绝灭。中生代还存在软体动物的古老类型，如菊石等，到末期即逐渐绝灭。随后软体动物大量出现，到新生代演化成现代类型众多的无脊椎动物，而在古生代盛极一时的腕足动物至今只残存少数代表。
无脊椎动物的分支——最低等的后口动物、棘皮动物逐渐进化，首先进化到仅在尾部具有脊索的尾索动物和脊索纵贯全身的头索动物，接着进化到脊椎动物。脊椎动物一般体形左右对称，全身分为头、躯干、尾三个部分，躯干又被横膈膜分成胸部和腹部，有比较完善的感觉器官、运动器官和高度分化的神经系统。