Традиционно кольчатых червей сближают с членистоногими. Общими для них особенностями можно считать наличие постларвальной сегментации тела, связанное с этим особенное строение нервной системы (брюшная нервная цепочка). Из всех кольчатых червей ближе всего к членистоногим многощетинковые, что, возможно, свидетельствует о том, что кольчатые черви — парафилетическая группа. Как и у членистоногих, у них развиты боковые придатки тела, параподии, которые считаются предшественниками ног членистоногих, а в циркуляции крови главную роль играет мускульная обкладка спинного сосуда. Наличие кутикулы нельзя считать чертой, уникально присущей кольчатым червям и членистоногим, поскольку кутикулярные эпителии довольно широко распространены в разных группах беспозвоночных. Более того, кутикула аннелид по большей части не содержит хитина, характерного для членистоногих. У аннелид, как и у некоторых других групп червей, хитинсодержащая кутикула имеется только на небольших участках тела: на «челюстях» в глотке и на щетинках.
Вместе с тем, по ряду особенностей эмбрионального развития кольчатые черви близки к прочим трохофорным животным, например, моллюскам и сипункулидам.
Вместе с тем, ряд исследователей полагает, что сходство с членистоногими по таким признакам, как сегментация, строение нервной системы, кутикула, есть результат конвергентной (параллельной) эволюции.