Về mặt phân loại học, cá là một nhóm cận ngành mà quan hệ chính xác của nó còn gây tranh cãi nhiều; sự phân chia phổ biến là chia chúng thành cá không hàm (siêu lớp Agnatha với 108 loài, bao gồm các loài cá mút đá và cá mút đá myxin), cá sụn (lớp Chondrichthyes với 970 loài, bao gồm các loại cá mập và cá đuối)[4], với lớp còn lại là cá xương (lớp Osteichthyes).

Trong tiếng Việt, nhiều loài động vật sống dưới nước khác cũng gọi là "cá", chẳng hạn cá mực hay cá voi, cá heo, cá nhà táng, cá sấu... nhưng thực ra, chúng không phải là cá thực thụ. Mực thuộc phân lớp Coleoidea, lớp Chân đầu (Cephalopoda) còn các loại cá sau lại là các động vật có vú (Mammalia), riêng cá sấu là một nhóm bò sát.

Cá có kích thước rất đa dạng, từ loài cá nhám voi dài 16 m (51 ft) tới loài cá nhỏ chỉ dài 7 mm (trên ¼ inch) tại Australia, mà tại đó người ta gọi là stout infantfish (danh pháp khoa học: Schindleria brevipinguis).

Một số loài cá duy trì các thân nhiệt cao tới vài độ so với môi trường xung quanh. Tất cả các loài cá thu nhiệt (cá xương) đều thuộc về phân bộ Scombroidei và bao gồm các loại cá săn mồi, cá ngừ và một loài cá thu "nguyên thủy" (Gasterochisma melampus). Tất cả các loài cá mập trong họ Lamnidae – như cá mập mako vây ngắn, cá mập mako vây dài, cá nhám trắng, cá nhám hồi – cũng được biết đến như là có khả năng hấp thu nhiệt, và các chứng cứ cho thấy những đặc điểm như vậy cũng tồn tại trong họ Alopiidae (cá nhám đuôi dài). Mức độ thu nhiệt dao động từ các loại cá săn mồi chỉ làm ấm mắt và não, tới cá ngừ vây xanh và cá nhám hồi duy trì thân nhiệt tới 20 °C cao hơn so với môi trường nước xung quanh. (Xem thêm Duy trì thân nhiệt ở các động vật khổng lồ). Quá trình hấp thu nhiệt, mặc dù về mặt trao đổi chất là tốn kém, nhưng có một số ưu thế như làm tăng lực co bóp của các cơ, tốc độ xử lý cao của hệ thần kinh trung ương và tốc độ tiêu hóa cao.