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兩棲動物是最原始的陸生脊椎動物,既有適應陸地生活的能力,又有從祖先——魚類遺傳下來的適應水中生活的能力。幾乎大多數兩棲動物需要在水中產卵,發育過程從接近于魚類幼體(蝌蚪)變態成成體,而成體既可以在水中生活又可以在陸地生活。但是有些兩棲動物進行胎生或卵胎生,不需要產卵,有些兩棲動物從卵中直接孵化出來差不多就已經完成了變態,還有些兩棲動物終生保持幼體的形態。
古生代的泥盆紀晚期開始出現兩棲動物,最早出現的兩棲動物牙齒有迷路,被稱為迷齒類,又因為它們的頭骨結構堅固,又叫做堅頭類。出現在格陵蘭島上泥盆統老紅砂巖中的魚石螈可作為代表。它是一類從魚類到兩棲類的過渡型動物。牙齒沒有迷路的殼椎類最早出現在石炭紀,這兩類兩棲動物在石炭紀和二疊紀是非常繁盛的時期,所以,這個時代也被稱為兩棲動物時代。
這個時期兩棲類動物種類多、個體大。其中的石炭蜥可能經過像蜥螈或西蒙螈那樣的代表,進化為中生代時占統治地位的爬行類。蚓螈是迷齒類在石炭紀和二疊紀的著名大型代表,它的頭骨很大,寬闊且比較扁平,耳缺很深,有大而具迷路構造的牙齒,脊椎和四肢骨結構粗強。從很多方面來看,蚓螈代表了兩棲動物進化中的高峰。在二疊紀結束時,殼椎類全部滅絕,迷齒類也只有少數在中生代繼續存活了一段時間。
到了中生代以后,現代類型的兩棲動物開始出現。現代類型的兩棲動物身上光滑而沒有鱗甲,皮膚裸露而濕潤,布滿黏液腺,被稱為滑體兩棲類。這種皮膚可以起到呼吸的作用,有些兩棲動物甚至沒有肺而只靠皮膚呼吸。最早的滑體兩棲類是三疊紀的原蛙類,如三疊尾蛙,與現代的蛙有些類似,但是有短的尾。有尾目和無足目出現的晚些,有尾目出現于侏羅紀,而無足目到了新生代初期才有可靠的紀錄,不過無足目特征比較原始,可能更早便已起源。現代兩棲動物的起源現在沒有定論,有人認為無尾目起源于迷齒類,而有尾目和無足目起源于殼椎類,也有人認為三者的共性很多,有著共同的起源。
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兩棲動物的祖先是肉鰭魚類,但是到底是起源于哪類肉鰭魚尚不明確。過去,一般認為兩棲動物的祖先比較理想的代表是泥盆紀的扇骨魚類,但是現在的研究否認了這種說法,因此兩棲動物的祖先到底是肉鰭魚類中的空棘魚類、扇骨魚類還是肺魚類,尚需研究發現。
魚石螈和棘魚石螈是最早出現于古生代泥盆紀晚期的兩棲動物,它們擁有較多魚類的特征,如仍然保留有尾鰭,并且不能很好地適應陸地的生活。魚石螈和棘魚石螈代表魚類和兩棲動物之間的過渡類型,但是新近的研究表明它們只是兩棲動物早期進化的一個旁支,而非其他兩棲動物的祖先類型,真正最原始的兩棲動物尚待發現。進入石炭紀后,兩棲動物迅速分化,并在古生代的最后兩個紀石炭紀和二疊紀達到極盛,這段時期也被稱為兩棲動物時代。
這個時期的兩棲動物多種多樣,適應不同的生存環境,有些相當適應陸地生活,有些則又回到了水中,有些大型的種類如石炭紀的始螈可以長到4~8米長,習性頗似現代的鱷魚。與現在的兩棲動物不同,這些早期的兩棲動物身上多具有鱗甲。在古生代結束后,大多數原始兩棲動物滅絕,只有少數延續了下來,而新型的兩棲動物則開始出現。
魚石螈和棘魚石螈的牙齒有類似總鰭魚的迷路,因此它們被歸人兩棲動物綱的迷齒亞綱,組成了迷齒亞綱的魚石螈目,魚石螈目自泥盆紀晚期出現后延續到了石炭紀早期。而在石炭紀早期,迷齒亞綱的另外兩個目——離片椎目和碳螈目也已經出現,這兩個目分別代表兩棲動物的主干類型和兩棲動物中向著爬行動物進化的類型。
離片椎目是兩棲動物的主干類型,在石炭紀和二疊紀時遍布世界各地,而在古生代結束時離片椎目的一些成員仍然繁盛了一段時間,它是原始兩棲動物中唯一延續到中生代的代表,有些甚至到中生代后期才滅絕,這些中生代的迷齒類分布廣泛,體形巨大,如三疊紀的乳齒螈,主要生活在水中。
向著爬行動物進化的類型是石炭螈目,主要發現于歐洲和北美,一直不很繁盛。石炭螈目中最著名的當屬二疊紀的蜥螈,蜥螈同時具有兩棲動物和爬行動物的特征,對于其到底是兩棲動物還是爬行動物曾經有爭議,直到發現了蜥螈的蝌蚪才確認其是兩棲動物。因為蜥螈生活的時代要晚于最早的爬行動物,所以它不可能是爬行動物的祖先,而爬行動物的祖先尚待發現。另一類與爬行動物非常相似的兩棲動物是闊齒龍類,它們曾經被置于爬行動物的杯龍類,后來發現它實際上是兩棲動物。
在石炭紀和二疊紀還曾經生存著一類牙齒沒有迷路的原始兩棲動物,被歸為殼椎亞綱。殼椎類多,體形較小,相貌奇特。古生代結束時殼椎類全部滅絕,是否留下了后代尚不明確。
進入中生代后,現代類型的兩棲動物開始出現。
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