«Pez» es una palabra que se usa para referirse a cualquier vertebrado no tetrápodo. La historia evolutiva de los peces comenzó hace 530 millones de años, a mediados del período Cámbrico. Algunos de los animales más antiguos conocidos en la historia evolutiva de los peces son Pikaia gracilens, que se asemeja a la lanceleta moderna, que se encuentra en el famoso conjunto de lutitas de Burgess, y Haikouichthys y Myllokunmingia de las lutitas de Maotianshan en el sur de China. Estos simples peces sin mandíbulas existieron durante aproximadamente 100 millones de años hasta que evolucionó el primer pez con mandíbulas. Estos también son los primeros vertebrados conocidos.
Inicialmente, los peces eran miembros minoritarios en un ecosistema dominado por invertebrados, especialmente braquiópodos, esponjas y artrópodos como los trilobites. No sería hasta el período Silúrico, hace aproximadamente 420 millones de años, que los peces con mandíbulas evolucionaron y comenzaron a competir eficazmente con los invertebrados. Los primeros peces con mandíbulas fueron los placodermos, una familia de peces con una armadura especial en la cabeza y el tórax para protegerlos de los depredadores. Estos peces son los antepasados de todos los vertebrados modernos, incluidos los humanos y todas nuestras mascotas y ganado.
Los peces sin mandíbulas fueron rápidamente superados, dejando atrás solo unos pocos linajes pequeños que eventualmente dieron lugar a los peces bruja, lampreas y lancetas de hoy en día. A veces, estos animales no se consideran verdaderos peces debido a su fisiología radicalmente diferente. Incluso existe cierto desacuerdo en cuanto a si las lampreas son vertebrados, ya que su “esqueleto” de cartílago es muy primitivo.
La historia evolutiva de los peces continuó con el predominio de los peces con mandíbulas, especialmente los placodermos, que crecieron hasta 6 m (20 pies) en superdepredadores como Dunkelosteus telleri. Los grandes depredadores como Dunkelosteus se consideran los primeros superdepredadores vertebrados y establecieron sólidamente el papel de los vertebrados como depredadores ápice en los ecosistemas del mundo, un papel que continuaría durante el resto de la historia evolutiva. Los placodermos dominaron durante todo el período Silúrico, durante varias docenas de millones de años, hasta el Devónico, cuando los peces comenzaron a diversificarse rápidamente.
El Devónico fue el período más importante en la historia evolutiva de los peces, cuando muchas formas modernas y extintas evolucionaron a partir de la semilla del placodermo, incluidos tiburones y rayas, acantodianos («tiburones espinosos», ahora extintos), peces con aletas radiadas (que dominan el mares hoy), y peces con aletas lobuladas, que eventualmente evolucionaron a vertebrados terrestres. Los peces superaron con éxito a muchos otros organismos marinos para convertirse en el animal marino móvil dominante, compartiendo los mares con pequeños artrópodos como los copépodos y el krill.
Aunque los peces con aletas lobuladas y los acantodanos demostraron un éxito momentáneo durante el Devónico, los acantodanos habían desaparecido prácticamente al final del siguiente período, el Carbonífero, mientras que los peces con aletas lobulares se convirtieron en una pequeña minoría después de dar lugar a tetrápodos durante el mismo período geológico. . Durante muchos años, se pensó que estaban representados solo por el pez pulmonado, hasta que se extrajo un celacanto frente a las costas de Sudáfrica. El descubrimiento de un celacanto vivo fue considerado uno de los mayores hallazgos zoológicos del siglo XX.