Sự hình thành loài của động vật có xương sống cuối kỷ Devon cho thấy cá vây thùy (Sarcopterygii) như Panderichthys có các hậu duệ như Eusthenopteron có thể hít thở không khí trong các đám bùn lầy và nông, sau đó là Tiktaalik mà các vây tựa như chân của chúng có thể giúp chúng bò lên mặt đất, khởi đầu cho những động vật lưỡng cư có bốn chân đầu tiên, chẳng hạn như Acanthostega với các chân có 8 ngón hay Ichthyostega với các chân đã phát triển, sinh sống trong các đầm lầy đầy cỏ dại. Cá vây thùy cũng tiến hóa thành các loài Coelacanthiformes còn sống sót cho đến ngày nay.

Cá vây thùy thuộc về nhóm cá xương (Osteichthyes), được đặc trưng bởi bộ xương được tạo ra từ chất xương thay vì chất sụn. Các loài cá vây thùy cổ nhất được tìm thấy trong tầng cao nhất của kỷ Silur. Những loài cá vây thùy đầu tiên trông tương tự như cá mập gai (Acanthodii). Các họ hàng gần nhất của cá vây thùy là cá vây tia (Actinopterygii). Cá vây thùy có lẽ đã tiến hóa trong các đại dương, nhưng sau này chúng đã di chuyển vào các môi trường sống nước ngọt để tránh các loài cá ăn thịt như Placodermi - khi đó đang thống trị trong các vùng biển thuộc thời kỳ Tiền - Trung Devon. Do đó cá vây thùy đã tiến hóa trong thời kỳ đầu kỷ Devon, đường phân tách chúng ra thành hai dòng dõi chính - Cá vây tay và Rhipidistia (cá có phổi và muộn hơn là động vật bốn chân). Nhóm cá vây tay xuất hiện vào đầu kỷ Devon và vẫn sống trong lòng đại dương, thời cực thịnh của cá vây tay là cuối kỷ Devon và kỷ Than đá do chúng là phổ biến hơn cả vào thời điểm này so với bất kỳ thời kỳ nào khác của Liên đại Hiển Sinh (Phanerozoic). Nhóm Rhipidistia xuất hiện vào khoảng cùng thời gian đó như cá vây tay, nhưng không giống như cá vây tay, nhóm Rhipidistia rời bỏ các đại dương và di cư vào môi trường sống nước ngọt, tổ tiên của chúng có lẽ sống ở các vùng biển gần cửa sông (vùng nước lợ). Rhipidistia lại được phân chia thành hai nhóm chính - cá có phổi và các loài có dạng của động vật bốn chân (nhóm Tetrapodomorpha). Sự đa dạng lớn nhất của cá có phổi diễn ra vào kỷ Trias, nhưng ngày nay chỉ còn ít hơn vài chục chi là tồn tại. Cá có phổi đã tiến hóa thành các dạng động vật có phổi nguyên thủy và chân nguyên thủy. Các loài cá có phổi, cổ đại cũng như hiện đại, sử dụng các vây ngắn và mập của chúng (chân nguyên thủy) để vượt qua mặt đất nếu vùng nước của chúng bị cạn kiệt, cũng như sử dụng phổi nguyên thủy để hít thở không khí nhằm lấy đủ lượng ôxy cần thiết cho hành trình này. Dạng động vật bốn chân về mặt giải phẫu là hoàn toàn tương tự như cá có phổi, họ hàng gần gũi nhất của chúng, nhưng dường như các loài này còn sống trong nước lâu hơn một chút, cho đến cuối kỷ Devon. Nhóm Tetrapoda - động vật có xương sống với 4 chân là các hậu duệ của nhóm Tetrapodomorpha. Tetrapoda đã xuất hiện vào cuối kỷ Devon.