Cet embranchement a connu une très importante diversification depuis son apparition au cambrien (vers 500 Ma, présumé présent dans la faune de Burgess avec l'individu Pikaia) : alors que les céphalochordés et les urochordés sont restés peu diversifiés et exclusivement marins, les vertébrés ont eu une évolution fulgurante et ont conquis tous les milieux de la planète, avec leurs premiers pas sur terre au dévonien supérieur (il y a environ 370 Ma). Aujourd’hui, avec les baleines, ils comprennent les animaux les plus grands que la terre ait jamais portés.