Les ancêtres les plus anciens des vertébrés sont apparus dans les océans il y a quelque 550 millions d’années. Plus tard, le Dévonien (de 417 à 359 millions d’années avant notre ère) a vu une évolution remarquable des poissons qui sont actuellement plus diversifiés que toute autre catégorie de vertébrés – on pourrait appeler cette période l’âge d’or des poissons. Parmi les 52 000 espèces actuelles de vertébrés, 32 000 sont des espèces de poissons qui peuvent être collectivement caractérisés simplement comme des vertébrés dotés de branchies et ne possédant pas de membres terminés par des doigts.
Les agnathes, apparus durant l’explosion cambrienne il y a environ 530 millions d’années, furent les premiers vertébrés aquatiques. Sans mâchoire, la tête recouverte d’un bouclier osseux, ils avaient une bouche rudimentaire et ronde qui leur servait à sucer ou à filtrer la nourriture. Les lamproies et les myxines en sont les seuls survivants. Le développement de mâchoires, telles qu’on peut les voir de nos jours chez les poissons cartilagineux ou osseux, a permis l’ingestion d’une gamme plus vaste de nourriture et a ouvert la voie à l’apparition de chasseurs actifs. Les poissons cartilagineux (Chondrichtyens) n’ont pas de structures squelettiques ossifiées : à la place, ils ont des squelettes cartilagineux, plutôt légers et souples, ce qui fait des raies et des requins des prédateurs très agiles.
Il y a actuellement 19 000 espèces de véritables poissons osseux (Ostéichtyens) aussi disparates que les anguilles, les hippocampes, les truites et les thons. La plupart possèdent une vessie natatoire, poche remplie de gaz leur permettant de se maintenir sans effort à la profondeur désirée. Requins et raies n’en ont pas et s’enfoncent dans l’eau. Ils se reposent sur le fond marin ou bien restent tout le temps en mouvement, ce qui entraîne une grande dépense d’énergie. Or l’oxygène dissous dans l’eau est en proportion moindre que celui qu’on trouve dans l’air. De multiples paires de branchies, à travers lesquelles l’eau passe en permanence, sont extrêmement efficaces pour extraire cet oxygène et évacuer le dioxyde de carbone, déchet final du métabolisme.
Il y a deux groupes principaux de poissons osseux : celui des poissons à nageoires rayonnées – des rayons osseux soutiennent leurs nageoires – est le plus commun. L’autre regroupe les poissons à nageoires charnues – comme le cœlacanthe –, qui possèdent un axe osseux basal entouré de muscles dans leurs nageoires pectorales et pelviennes. Ces nageoires charnues ont évolué en donnant les deux paires de membres des tétrapodes, les quatre pattes des animaux terrestres, humains inclus.