Mugurkaulnieku fosiliju atradumi dažāda vecuma iežos neapšaubāmi apstiprina svarīgāko mugurkaulnieku paleontoloģijas hipotēzi, saskaņā ar kuru visi mugurkaulnieki ir savstarpēji radniecīgi, jo tie attīstījušies evolūcijas ceļā no primitīviem dzīvniekiem ar notohordu (īsu elastīgu stiegru no skrimslim līdzīgiem audiem, kas veido dzīvnieka ķermeņa priekšējās daļas iekšējo balstu) pirms apmēram 500 miljoniem gadu kembrija beigās, līdz sasniedza lielu daudzveidību mūsdienās. Šo hipotēzi apstiprina tik daudzi neatkarīgi novērojumi, ka to varētu dēvēt par mugurkaulnieku evolūcijas teoriju. Saskaņā ar to pirmie mugurkaulnieki dzīvoja ūdenī un tiem bija raksturīgs filtrētāju vai detrītēdāju mazkustīgais dzīves veids, bet evolūcijas gaitā tie varēja arvien labāk pārvietoties blīvajā ūdens vidē, attīstot gan iekšējo balstu – hordu, vēlāk mugurkaulu, gan kustības orgānus – spuras. Ordovikā, pirms gandrīz 470 miljoniem gadu, radās pirmie zivjveidīgie organismi ar ārējām kaula bruņām. Pirms apmēram 440 miljoniem gadu, silūrā, radās pirmās zivis, kas paplašināja barības ieguves veidus, ieskaitot plēsonību un barošanos ar planktona organismiem. Devonā (sākās pirms 419,2 ± 3,2 miljoniem gadu) turpinājās pielāgošanās labākai peldēšanai, kā arī dažu sugu zivis sasniedza ļoti lielus izmērus. Dažas zivis jau agrā devona beigās apguva spējas izmantot ne tikai ūdenī izšķīdušo skābekli, bet arī atmosfērā esošo gāzi, tādējādi sāka izmantot gāzu apmaiņai ne tikai žaunas, bet arī plaušu aizmetņus. Devona vidū un beigās dažas daivspurzivju grupas sāka apgūt pārejas zonu starp jūru un sauszemi, pielāgojoties dzīvei ļoti seklā ūdenī. Vienai no šādām grupām šie mēģinājumi sekmējās un radās pirmie četrkājainie mugurkaulnieki – sākotnēji tie bija ūdens dzīvnieki, kuriem pāra spuru vietā radās kājas ar pirkstiem. Karbonā (sākās pirms apmēram 359 miljoniem gadu) primitīvie četrkājainie radījumi tā arī turpināja dzīvot ūdenī, un no tiem vēlāk radās mūsdienu abinieku – varžu, krupju, tritonu un citu – senči. Savukārt daži citi četrkājaiņi spēja pielāgoties dzīvei sauszemē: vairojoties tie nevis turpināja nērst ikrus, bet pārgāja no ārējās apaugļošanas uz iekšējo un sāka dēt ar apvalkiem aizsargātas olas – tādējādi jau karbona beigās radās rāpuļi, kas spēja veiksmīgi apgūt sauszemi. Abinieku āda ir kaila, mitra un bagāta ar dziedzeriem; abinieku nieres izdala daudz ūdens, izvadot arī toksisko urīnvielu. Dzīve sauszemē nosaka vajadzību pēc ūdens taupīšanas: vai nu organisms ir jāizolē no apkārtējās vides ar sausu ādu bez dziedzeriem un jāizvada maz toksiskās urīnskābes, vai arī jāizvada koncentrēta urīnviela, saglabājot kailo ādu un daudz dziedzeru. Turpmākās evolūcijas gaitā pirmie rāpuļi agri sadalījās divās grupās: sinapsīdu (synapsida) un zauropsīdu (sauropsida). Sinapsīdu grupas pārstāvji attīstīja spējas regulēt ķermeņa temperatūru (radās pelikozauri un vēlāk zvērrāpuļi), un ar laiku (pirms apmēram 227 miljoniem gadu, triasā) no tiem radās zīdītāji, kam ir kaila āda ar dažādiem dziedzeriem: matu, sviedru, tauku (piena). Zauropsīdu grupas pārstāvji sākotnēji bija vairāk atkarīgi no apkārtējās vides temperatūras, jo sausa, ar zvīņām klātā āda ir ļoti jutīga pret temperatūras svārstībām. Turklāt urīnvielas pārveidei par urīnskābi vajag daudz enerģijas. Tomēr tieši šīs grupas pārstāvjiem izdevās vieglāk pārciest perma (pirms 299 līdz 252 miljoniem gadu) perioda beigās pārāk karstos klimata apstākļus. Šī ir ļoti plaša grupa, kuras ietvaros triasā radušās mūsdienu rāpuļiem radniecīgas grupas, tādas kā ķirzakas un čūskas, bruņurupuči, krokodili un pirmie dinozauri. Jurā (pirms apmēram 150 miljoniem gadu) no vienas dinozauru grupas – celurozauriem – izcēlās putni. Savukārt zīdītāju evolūcijas gaitā no oldējējiem zīdītājiem attīstījās somaiņi un augstākie zīdītāji, kuriem raksturīga placenta embrija savienojumam ar mātes organismu. Vienā no primitīvo augstāko zīdītāju grupām, pie kuras pieder primāti, notika pielāgošanās daudzveidīgas barības iegūšanai kokos un attīstījās komplicētas kustības, kas sekmēja redzes, dzirdes un vestibulārā aparāta, kā arī smadzeņu attīstību. Šīs attīstības tendences sekmēja cilvēku dzimtas evolūciju un saprātīgā cilvēka rašanos ģeoloģiski nesenā pagātnē pirms apmēram 190 000 gadiem.