Hóa thạch cá nguyên thủy
Tổ tiên của loài cá hiện nay đã xuất hiện từ Kỷ Cambri (một kỷ chính của niên đại địa chất, bắt đầu từ khoảng 542 triệu năm trước), vì hình thể khá nhỏ, miệng mở rộng không thể khép lại, cũng không có vây, nên được gọi là “Cá không hàm”, đây là loài động vật có xương sống vào dạng nguyên thủy nhất.
Vào Kỷ Silur (khoảng 443 triệu năm trước), đã xuất hiện loài cá nguyên thủy có hàm trêm và hàm dưới, sớm nhất là cá da phiến và cá mập gai. Ở Kỷ Devon (khoảng từ 416 triệu năm trước), chúng đã tiến hóa thành loài cá sụn và cá xương, trở thành động vật chủ yếu trong lòng đại dương. Vì vậy, Kỷ Devon được coi là thời đại của các loài cá. Đến Kỷ Permi (hay còn gọi là Kỷ Nhị điệp, bắt đầu vào khoảng 298 triệu năm trước), cá da phiến và cá mập gai cùng tuyệt chủng. Cá sụn trước đó có nhiều loại, đến Kỷ Trias (Kỷ Tam điệp, bắt đầu khoảng 200 triệu năm trước) thì đã dần dần thoái hóa, hiện còn sống chỉ còn họ cá mập, cá đuối, cá da bạc; loài cá xương chiếm ưu thế hơn, trở thành một trong những động vật thịnh vượng nhất trong lòng đại dương. Một bộ phận cá xương nguyên thủy tiến hóa thành loài cá phổi và cá vây thùy, cá vây thùy sau này đã phát triển thành động vật lưỡng cư.