„Fisch“ ist ein Wort, das verwendet wird, um sich auf alle Wirbeltiere zu beziehen, die keine Tetrapoden sind. Die Evolutionsgeschichte der Fische begann vor 530 Millionen Jahren, im mittleren Kambrium. Einige der ältesten bekannten Tiere in der Evolutionsgeschichte der Fische sind Pikaia gracilens, die der heutigen Lanzette ähnelt, die in der berühmten Burgess-Schiefer-Ansammlung gefunden wird, sowie Haikouichthys und Myllokunmingia aus den Maotianshan-Schiefer in Südchina. Dieser einfache kieferlose Fisch existierte ungefähr 100 Millionen Jahre lang, bis sich der erste kieferlose Fisch entwickelte. Dies sind auch die frühesten bekannten Wirbeltiere.
Anfangs waren Fische Minderheitenmitglieder in einem Ökosystem, das von Wirbellosen dominiert wurde, insbesondere von Brachiopoden, Schwämmen und Arthropoden wie Trilobiten. Erst in der Silurzeit vor etwa 420 Millionen Jahren entwickelten sich Kieferfische und begannen, effektiv mit Wirbellosen zu konkurrieren. Die frühesten Kieferfische waren Placoderms, eine Fischfamilie mit spezieller Kopf- und Brustpanzerung, um sie vor Raubtieren zu schützen. Diese Fische sind die Vorfahren aller modernen Wirbeltiere, einschließlich des Menschen und all unserer Haustiere und Nutztiere.
Die kieferlosen Fische wurden schnell verdrängt und hinterließen nur wenige kleine Abstammungslinien, aus denen schließlich moderne Schleimfische, Neunaugen und Lanzetten hervorgingen. Manchmal werden diese Tiere aufgrund ihrer radikal anderen Physiologie nicht als echte Fische angesehen. Es herrscht sogar Uneinigkeit darüber, ob Neunaugen überhaupt Wirbeltiere sind, da ihr Knorpel-„Skelett“ so primitiv ist.
Die Evolutionsgeschichte der Fische setzte sich mit der Dominanz der Kieferfische fort, insbesondere der Placoderms, die bei Superräubern wie Dunkelosteus telleri bis zu 6 m (20 ft) groß wurden. Große Raubtiere wie Dunkelosteus gelten als die ersten Superprädatoren von Wirbeltieren und haben die Rolle der Wirbeltiere als Spitzenprädatoren in den Ökosystemen der Welt fest etabliert, eine Rolle, die für den Rest der Evolutionsgeschichte bestehen würde. Placoderms dominierten während des gesamten Silur-Zeitraums mehrere Dutzend Millionen Jahre lang, bis zum Devon, als sich die Fische schnell zu diversifizieren begannen.
Das Devon war der größte Meilenstein in der Evolutionsgeschichte der Fische, als sich viele moderne und ausgestorbene Formen aus dem Samen des Placoderms entwickelten, darunter Haie und Rochen, Akanthodianer („stachelige Haie“, jetzt ausgestorben), Strahlenflossenfische (die die Meere heute) und Lappenflossenfische, die sich schließlich zu Landwirbeltieren entwickelten. Fische haben erfolgreich viele andere Meeresorganismen verdrängt, um das dominante mobile Meerestier zu werden, das sich die Meere mit kleinen Arthropoden wie Copepoden und Krill teilt.
Obwohl Lappenflossenfische und Akanthodien während des Devon vorübergehenden Erfolg zeigten, waren Akanthodien am Ende der nächsten Periode, dem Karbon, so gut wie ausgestorben, während Lappenflossenfische eine winzige Minderheit wurden, nachdem sie während derselben geologischen Periode Tetrapoden hervorgebracht hatten . Viele Jahre lang glaubte man, dass sie nur durch den Lungenfisch repräsentiert werden, bis ein Quastenflosser vor der Küste Südafrikas gezogen wurde. Der Fund eines lebenden Quastenflossers galt als einer der größten zoologischen Funde des 20. Jahrhunderts.