Земноводные, появившиеся в конце девона (360 миллионов лет назад), были первыми наземными позвоночными. Наибольшего расцвета они достигли спустя 50 миллионов лет, в каменноугольном периоде, и на короткое время стали самой развитой группой позвоночных. Но, несмотря на такой расцвет, особого разнообразия во внешнем виде они не достигли. По сравнению с ныне живущими формами необычно выглядели лишь формы с крупными головами. Например, у представителей рода Diplocaidus головы были треугольной, как бы стреловидной формы, сверху уплощенные, отделенные от туловища узкой шеей. Правда, были земноводные и с необычайно длинной узкой головой, у некоторых лабиринтодонтов ее длина превышала треть общей длины тела (у видов рода Mastodontosa-urus при длине животного в три метра длина головы составляла 1,25 м). Из двух главных подклассов земноводных подкласс лабиринтодонтов, название которых связано со структурой поверхности их зубов, был важнейшим с точки зрения филогенетического развития. Представители этого подкласса развились до форм с относительно крупными размерами (например, Eryopjs был в длину более двух метров) и в период с конца палеозоя до начала мезозоя достигли наивысшего расцвета. Но уже в начале каменноугольного периода из этой группы возникают предки первых пресмыкающихся. Пограничные формы таких земноводных (например, Gephyrostegidae или Seymo-uriamorpha) имеют как примитивные признаки своего класса, так и более прогрессивные признаки класса пресмыкающихся, поэтому их положение в зоологической системе позвоночных долго оставалось неясным.
С выходом позвоночных из водной среды на сушу в строении их тела произошел ряд дальнейших кардинальных перемен. Наиболее заметные внешние изменения проявились в формировании шейной части позвоночника, отделяющей голову от туловища, и в превращении сравнительно слабых плавников, выполнявших функцию балансирования в водной среде, в сильные конечности, несущие на себе тяжесть тела и обеспечивающие возможность передвижения животного.