脊索動物曾包括4個亞門，即半索動物亞門、尾索動物亞門、頭索動物亞門和脊椎動物亞門(Vertebrata)。脊索動物化石中最重要而引人註目的首推脊椎動物化石。其次是半索動物亞門的筆石綱，在寒武紀至早石炭世是很重要的化石門類之一，廣泛分佈於世界各地。近年由於已單獨建立半索動物門，隨之筆石化石也被排出脊索動物化石之外。
頭索動物長期來未發現化石，1981年報導在南非二疊系中發現瞭頭索動物化石。
> 尾索動物化石迄今隻有少數報道。B.派爾曾將瑞士漸新世頁巖中發現的一些印痕解釋為海鞘類，但至今未被生物界及古生物界所承認。近年在中國南方早寒武世黑色頁巖中亦發現一些微小痕跡，被認為是尾索動物亞門幼形綱動物的化石。但由於年代太久遠(距今6億年左右)、個體太小（隻有8～12微米，約為0.1毫米，小於某些現生尾索動物的精子）和生物結構不清楚，未被生物學界和古生物學界承認。
其他如佈爾吉斯頁巖中有可疑的脊椎動物化石Pi-kaia等。
1967年R.P.S.傑弗裡斯再次提出原屬棘皮動物門海扁果亞門的海樁綱(Stylophora)應屬脊索動物中一個獨立的鈣索動物亞門(Calcichordata)。他認為所有的鈣索動物都有一個大而重的、覆有碳酸鈣骨板的頭和一個尾。在化石上發現瞭一些可以與脊索動物的咽、鰓裂、腦、心外膜、腸系膜的口腔、食道、直腸等相對比的結構特征。並認為鈣索動物隻有樁首綱（Stylophora）一個綱，其下分為較原始的角首目(Cornuta)和從角首類演化出的帽首目(Mitrata)。而頭索動物的祖先可與帽首目中發現於捷克波希米亞中奧陶統的長頸袋首Lagynocystis有關，尾索動物的祖先可與帽首目中同樣產於波希米亞中奧陶統的槲袋首Balanocystites有關；而脊椎動物的祖先可能與發現於波希米亞和法國的中上奧陶統以及德國下泥盆統的帽袋首Mitracystites的祖先類型有關。但這一意見仍未被所有的生物學傢和古生物學傢所接受。
脊椎動物亞門的差不多每一個目都有眾多的化石種類，還有一些絕滅的目和綱。古脊椎動物學專門研究脊椎動物亞門化石及有關脊椎動物起源、進化、不同地質歷史時期的地理分佈等有關問題，成為古生物學中的一個重要分支。