Zkamenělina ryb z eocénního souvrství Green River
Pravěké ryby jsou různé skupiny ryb, které žily před zaznamenanou historií; několik z nich, jako například coelacanth, existuje dodnes a jsou považovány za živé fosilie. Studium pravěkých ryb je známé jako paleoichthyologie.
První ryby a obratlovci, byli ostracoderms, kteří se objevili v kambrijském období, asi před 510 miliony let, a vyhynuli na konci devonu, asi před 350 miliony let. Ostracoderms byly bezčelistné ryby vyskytující se hlavně ve sladké vodě. Byly pokryty kostěným brněním nebo šupinami a často byly kratší než 30 cm (1 ft). Ostracoderms jsou zařazeny do třídy Agnatha spolu s živými bezčelistními rybami, mihulemi a hagfishes, o kterých se předpokládá, že jsou potomky ostracoderms.
První ryby s čelistmi, acanthodians, neboli žraloci ostnatí, se objevily v pozdním siluru asi před 410 miliony let a vyhynuly před koncem permianu, asi před 250 miliony let při permiansko-triasovém vymírání. Acanthodians byly zpravidla malé žraločí ryby, které se lišily od bezzubých filtrů po zubaté predátory. Kdysi byly často klasifikovány jako řád třídy Placodermi, další skupiny primitivních ryb, ale nedávné úřady mají tendenci zařadit acanthodiaes nebo že obě skupiny mají společného předka.
Plakodermové, další skupina čelistnatých ryb, se objevili na počátku devonu, asi před 395 miliony let, a vyhynuli na konci devonu nebo na počátku Mississippu (karbonu), asi před 345 miliony let. Detailní anatomické studie fosilních pozůstatků od švédského vědce Erika Stensiöa silně naznačují, že plakodermové byli blízce příbuzní se žraloky. Placodermové byli typicky malí, zploštělí obyvatelé dna, nicméně mnozí, zejména arthrodirové, byli aktivními středovodními predátory. Dunkleosteus byl největší a nejznámější z nich. Horní čelist byla pevně spojena s lebkou, ale mezi lebkou a kostěným plátováním oblasti kmene byl kloubový kloub. To umožnilo odhození horní části hlavy dozadu a u arthrodirů jim to umožnilo větší kousnutí.
Žraloci a rejnoci s chrupavčitou kostrou, třída Chondrichthyes, která se objevila asi před 370 miliony let ve středním Devonu, jsou obecně považováni za potomky plakodermů s kostní kostrou. Chrupavčité kostry jsou považovány za pozdější vývoj.
Moderní kostnaté ryby, třída Osteichthyes, se objevily v pozdním siluru nebo raném devonu, asi před 395 miliony let. Rané formy byly sladkovodní ryby, protože v mořských nalezištích starších než trias, asi před 230 miliony let, nebyly nalezeny žádné fosilní pozůstatky moderních kostnatých ryb. Osteichthyes mohli vzniknout z acanthodianů. Podtřída Osteichthyes, ryby s rejnokovitými ploutvemi (podtřída Actinopterygii), se stala a zůstala dominantní skupinou ryb na celém světě. Nebyly to však ryby s rejnokovitými ploutvemi, které vedly k vývoji suchozemských obratlovců.
Předkové suchozemských obratlovců se vyskytují mezi další skupinou kostnatých ryb, které se nazývají Choanichthyes nebo Sarcopterygii. Choanatní ryby se vyznačují vnitřními nozdrami, masitými ploutvemi, které se nazývají lalokové ploutve, a kosmooidními šupinami. Choanatní ryby se objevily v pozdním silurském nebo raném devonu, před více než 390 miliony let, a možná vznikly z akantodů. Choanatní ryby zahrnují skupinu známou jako Crossopterygii, která má jednoho žijícího zástupce, coelacantha (Latimeria). Během devonského období se z vody vyplazily některé crossopterygiánské ryby řádu (nebo podřádu) Rhipidistia a staly se prvními tetrapody.
Příběh o evoluci obratlovců začal v mořích kambrijského období, kdy se bezčelistní bezzubí tvorové s měkkým tělem podobní rybám proplétali vodou a nasávali mikroskopické částečky potravy. Teprve poté, co byla vyvinuta tuhá, nehnijící kost (zpočátku jako šupinatý vnější obal a později uvnitř těla), se ve skalách vytvořily zkameněliny a zakonzervovaly se. A teprve poté mohli paleontologové příběh s jistotou uchopit.
Nejstarší stopy kostnatých šupin se nacházejí ve skalách pozdního kambria a první rozpoznatelná obratlová ryba byla nalezena v australských skalách raného ordovického věku. Takže první kapitola vývoje obratlovců začíná starověkým Arandaspisem, rybou asi 6in/15cm dlouhou bez čelistí, bez zubů a bez ploutví kromě ocasu. Měla však žábry a výztužný prut z chrupavčitého materiálu (notochord), který sloužil jako páteř.
Pozdní devonská speciace obratlovců zaznamenala, že ryby s laločnatými ploutvemi jako Panderichthys měly potomky jako Eusthenopteron, který mohl dýchat vzduch v bahnitých mělčinách, pak Tiktaalik, jehož ploutve podobné končetinám ji mohly vynést na pevninu, což předcházelo prvním tetrapodům jako Acanthostega, jehož nohy měly osm číslic, a Ichthyostega s vyvinutými končetinami, která vyjednávala s bažinami plnými plevele. Ryby s laločnatými ploutvemi se vyvinuly v druhy Coelacanth, které přežívají dodnes.