脊索動物門中的脊椎動物亞門動物的總稱。
數量最多，結構最複雜，進化地位最高。形態結構彼此懸殊，生活方式千差萬別。除具脊索動物的共同特徵外，其他特徵還有：
①出現明顯的頭部，中樞神經系統成管狀，前端擴大為腦，其後方分化出脊髓。
②大多數種類的脊索只見於發育早期（圓口綱、軟骨魚綱和硬骨魚綱例外），以後即為由單個的脊椎骨連線而成的脊柱所代替。
③原生水生動物用鰓呼吸，次生水生動物和陸棲動物只在胚胎期出現鰓裂，成體則用肺呼吸。
④除圓口綱外，都具備上、下頜。
⑤循環系統較完善，出現能收縮的心臟，促進血液循環，有利於提高生理機能。
⑥用構造複雜的腎臟代替簡單的腎管，提高排泄機能，由新陳代謝產生的大量廢物能更有效地排出體外。
⑦除圓口綱外，水生動物具偶鰭，陸生動物具成對的附肢。該亞門包括：圓口綱、軟骨魚綱、硬骨魚綱、兩棲綱、爬行綱、鳥綱和哺乳綱。
各綱的特徵雖然有顯著差別，但組成軀體的器官系統及其功能基本一致。
脊椎動物
盾皮類是戴盔披甲的魚類，它們是甲冑和化石無合類不同，是由覆蓋頭部的頭甲和包裹軀幹的軀甲兩個單元組成，展出的東生清鱗魚就是很好的例子，盾皮類是一支古老的有合脊椎動物，和其它魚類及高等脊椎動物一樣，最前面的鰓弓發展成攝取食物的合，合上裝備了牙齒。合的出現是脊椎動物進化中的一次重大革命，無合類只能被動地過濾水中的細小有機體，而有合類可用合主動攝取食物。盾皮類是一個種類繁紛的家族，在泥盆紀為其全盛時期，但隨著泥盆紀的結束而趨於消亡。展出的雲南魚、武定魚、般溪魚，是部份不同種類的盾皮類的頭甲。
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| 雲南魚 |
硬骨魚類的一支，稱為肉鰭類，包括終鰭類的肺魚，因為它們的鰭具有發達的肉質柄，柄內的骨骼和高等脊椎動物的四肢骨相似，所以科學家們相信它們中的一支是四足脊椎動物的祖先，在泥盆紀晚期發展出兩棲類。因此早期終鰭魚類特別受到古生物學家的青睞。發現於中國雲南早泥盆世的著名的揚氏先驅魚乃是當前所知最早的終鰭類代表。肉鰭類在中晚泥盆世甚是繁盛，以後逐漸衰落，現在殘存的僅有南美洲肺魚、澳洲肺魚和極為罕見的終鰭類拉蒂曼魚。
另一支硬骨魚類在古生代時身體都覆蓋厚重的菱形鱗片，因為鱗片表面敷以發亮的名為硬質的物質，所以它們被稱為硬鱗魚類。像吐魯番鱈、長興魚、重慶魚、中華弓鰭魚都是這類的代表。至中生代後期，硬鱗魚類日趨衰落，現在還生存的硬鱗魚極為稀少，生活在中國長江的中華鱘堪你硬鱗魚類中的活化石，被列為國家一級保護動物。
在生存競爭、優勝劣汰的自然規律下，到中生代後期硬鱗魚逐漸被它們的後裔真骨魚取代。真骨魚類的鱗片由於硬質退化只保留骨質基屑，因此薄而富有韌性，既不失去鱗片保護作用，又擁脫了硬鱗的沉重負擔，增加了靈活性。所以從中生代後期至今，真骨魚類的進化中不斷完善自己，長盛不衰，由海洋到江湖河流無處不在，成為世界上最寵大的脊椎動物。展現中的狼鰭魚和昆都倫魚都是原始的真骨魚類代表。
軟骨魚類除了覆蓋身體的細小盾鱗，所有骨胳都是由軟骨組成，從不骨化。現海洋中的各種鯊魚和銀鮫，就是這類魚的代表。軟骨魚類從泥盆紀出現至今，在數量上一直沒有大起大落，只有少數種類在古生代後期至中生代早期曾入侵到淡水中。軟骨魚類局限于海洋。軟骨魚類所以能夠一直延續下來，是得益於它們是個內受精和富含蛋黃的卵，這是繁衍後代的有力保證。因為軟骨魚類骨骼為軟骨性，在化石中不易保存,所以常見的化石是牙齒和鱗片。展出的中華鏇齒鯊，乃是其齒鏇的一部份，這類牙齒鏇的一部份，這類牙齒在西藏珠峰也有發現。
脊椎動物起源
2003年2月28日美國《科學》雜誌發表西北大學、中國地質大學教授舒德乾等研究者與英、日等國學者合作完成的重要成果《雲南蟲類的一個新種及其對後口動物演化的重要意義》。該成果的發布，標誌著脊椎動物實證起源研究取得了進一步的重要進展。
高階元生物類別的起源歷來是進化生命科學的核心命題。包括人類在內的脊椎動物譜系總根底起源，涉及到脊椎動物兩大類群間的演化關係，因而不僅是學術界長期探索的一個焦點問題，也是大眾普遍關注的一個科學熱點。現代動物學從各個不同層次進行探索，近年來取得了較為廣泛認同的脊椎動物起源分“四步走”的假說。該假說認為，在動物演化大樹的兩大基本分支譜系中，位於後口動物譜系頂端的脊椎動物與原口動物譜系沒有直接聯繫，它根植於後口動物脊椎系的演化輪廓是：從現在最低等的後口動物棘皮動物和半索動物為始點，先後經由僅在尾部具有脊索的尾索動物和脊索縱貫全身的頭索動物，最後通過脊椎和頭部構造的出現，誕生出該譜系的終端產物脊椎動物。然而學術界的共識是，這一基於現代動物學信息間接推測出來的假說到底是否可靠，還必須得到真實歷史資料的檢驗、修正和補充。
要在古生物學上進行有效的脊椎動物起源研究，應該以現代動物學信息為重要線索，在儘可能靠近脊椎動物起源的“源頭”時段探尋時做好兩件工作：首先是力求發現最古老、最原始的脊椎動物，接著便是以這些脊椎動物始祖為起點，向前逐步追溯它們在無脊椎後口動物中的完善的祖先序列。我國保存了五億三千萬年前的眾多精美後口動物軟軀體構造化石的澄江化石庫，恰好靠近這樣的“源頭”。為中國學者揭開這一謎團提供了一個難得的機遇。
1999年昆明魚和海口魚的發現被英國《自然》雜誌評論為“逮住第一魚”，為難題的破解投進了一縷曙光。2003年初，舒德乾等人再度在《自然》雜誌著文，他們通過對數百枚海口魚標本的深入研究，揭示出它們一方面已經開始演化出原始脊椎骨和眼睛等重要頭部感官，另一方面卻仍保留著無頭類的原始性器官，從而證實了它們不僅是已知最古老的脊椎動物，而且還屬於地球上一類最原始的脊椎動物。早期後口動物的系列性發現，不僅與現代動物學關於脊椎動物起源分“四步走”假說相一致，更重要的是添加了比這“四步走”更為原始的“第一步”，從而首次提出了脊椎動物起源至少分“五步走”的新假說。這些始見於澄江化石庫地層最底部的“第一步”動物群古蟲類和雲南蟲類，是一些創生出咽腔型鰓系統的原始分節後口動物，極可能代表著學術界期盼已久的原口動物和後口動物分節的共同祖先與由於軀體特化而喪失分節性的後口動物（包括棘皮動物和半索動物）之間的過渡類型。十分有趣的是，儘管它們由於咽鰓的出現而引發了動物體在取食、呼吸等新陳代謝方式的重大革新而成為真正的後口動物，但其軀體卻仍保留著其祖先的分節性特徵。舒德乾解釋說：“實際上，既出現創新特徵又繼承祖先某些原始性狀的鑲嵌演化是生物界一種十分常見的現象。”
在這分“五步走”的演化系列中，“第一步”的動物類群十分奇特：對1400多枚海口蟲標本進行比較解剖學研究表明，它們不僅缺少脊索構造，而且在皮膚、肌肉、呼吸、循環、神經等器官系統上與脊索動物存在著根本區別；其中最為獨特的是其由6對外鰓組成的呼吸系統，這與較為高等的後口動物的內鰓迥然有別。海口蟲與同處“第一步”的古蟲動物門在軀體構型上卻相當一致：兩者皆明顯分節，而且軀體也都呈獨特的“雙重二分型”，即身體沿縱軸分為前體和後體兩大部分，而前體又被一個能自由擴張的“中帶”構造分為背、腹兩個單元。所不同的是，海口蟲兼具背神經索和腹神經索，這顯示出它比古蟲動物門稍略進步些，從而更靠近“第二步”中的半索動物。
舒德乾指出，儘管我們提出了脊椎動物起源分“五步走”的新假說，但這仍只給出了一個演化輪廓，在其相鄰演化步驟之間仍缺乏中間環節的證據。
