Филогения позвоночных во многом не ясна. Обычно выделяют 7—11 и даже больше классов позвоночных. При этом земноводные, пресмыкающиеся, птицы и млекопитающие — общепризнанные классы, и различия обычно заключаются в количестве и составе остальных классов. Ниже перечислены 10 классов, в том числе три вымерших.
Круглоротые (Cyclostomata) или мешкожаберные: миноги и миксины. Иногда миксин выделяют в отдельный класс Myxini.
Конодонты † — по строению тела близки к круглоротым, однако имели более сложное строение ротовой полости.
Надкласс рыбы, Pisces
Плакодермы, Placodermi †
Хрящевые рыбы, Chondrichthyes: акулы, скаты и химерообразные
Акантоды, Acanthodei †
Костные рыбы, Osteichthyes: все остальные современные рыбы (около 96 % всех видов рыб) . Данный класс является парафилетичным и в современной систематике разделён на два других класса: Лучепёрые (Actinopterygii) и Лопастепёрые (Sarcopterygii).
Надкласс Четвероногие, или Наземные позвоночные — Tetrapoda, seu Quadrupeda
Земноводные или амфибии, Amphibia: лягушки, жабы, тритоны и др.
Пресмыкающиеся или рептилии, Reptilia: крокодилы, черепахи, ящерицы и змеи. В современной систематике класс рассматривается как парафилетический.
Птицы, Aves
Млекопитающие или звери, Mammalia
Кроме того, выделяют различные систематические и несистематические группы позвоночных (в алфавитном порядке) :
Амниоты, Amniota — высшие позвоночные. Группа включает в себя пресмыкающихся, птиц и млекопитающих.
Анамнии, Anamnia — низшие позвоночные; все классы, не входящие в группу амниот.
Надкласс бесчелюстные, Agnatha. Включает круглоротых и два вымерших класса: непарноноздрёвые (Monorhina или Cephalaspidomorphi) и парноноздрёвые (Diplorhina или Pteraspidomorphi).
Челюстноротые, Gnathostomata. Включает все классы, не входящие в надкласс бесчелюстных. В отличие от бесчелюстных, рассматривается как несистемная группа.