Tanto os peixes cartilaginosos quanto os peixes ósseos diversificaram-se muito entre 300 e 400 milhões de anos atrás, passando a dominar o ambiente aquático. Mas, enquanto os peixes cartilaginosos surgiram nos mares, os peixes ósseos, ao que tudo indica, surgiram em ambientes de água doce e só posteriormente invadiram os mares. Outra conclusão a que chegaram os cientistas é que o esqueleto cartilaginoso dos condrictes foi uma característica que apareceu secundariamente, pois seus ancestrais tinham esqueleto ósseo. Há cerca de 500 milhões de anos surgiram os primeiros vertebrados: os ostracodermos. À semelhança dos ágnatos (lampreias), esses pequenos peixes eram desprovidos de mandíbulas, vivendo no fundo do mar, de onde obtinham alimento por filtração dos sedimentos. Tais peixes foram suplantados pelo aparecimento dos placodermos, dotados de uma importante novidade evolutiva: a presença de mandíbulas móveis. Juntamente com a presença de dentes afiados, as mandíbulas permitiram a conquista de um novo tipo de comportamento para obter alimento: a predação de outros animais. A passagem de uma alimentação por filtração para uma alimentação por predação abriu caminho para o surgimento de mecanismos mais complexos de ataque e fuga. Os órgãos dos sentidos tornavam-se mais complexos e passavam a orientar movimentos mais eficientes, produzidos por nadadeiras pares. Surgiam, assim, animais maiores e mais complexos, que deram origem aos peixes atuais. Os condrictes surgiram no mar. Os osteíctes originaram-se de peixes de água doce dotados de bolsas de gás que serviam de pulmões primitivos. Essas bolsas complementavam a respiração branquial e permitiam resistir às estações secas. O grupo que permaneceu com esse pulmão originou os atuais peixes pulmonados. Um segundo grupo migrou para o mar e a bolsa de gás evoluiu para a bexiga natatória, originando os osteíctes marinhos. Posteriormente, alguns osteíctes marinhos voltaram à água doce, originando os atuais peixes dulcícolas, também dotados de bexiga natatória.