Los tetrápodos son un grupo monofilético (descendiente de un ancestro común) de animales terrestres que evolucionaron hace aproximadamente 365 millones de años a partir de peces con aletas lobulares llamados sarcopterygians. Se cree que los tetrápodos evolucionaron gradualmente a partir de peces adaptados para nadar a través de pantanos llenos de maleza. Estos peces desarrollaron aletas inferiores musculosas, cuando solían navegar por estos pantanos, que eventualmente se convirtieron en patas completas. Algunas de estas formas tempranas tenían numerosos dígitos, a diferencia de los cinco o menos dígitos comunes a tantos tetrápodos en la actualidad.
Los primeros tetrápodos, llamados tetrápodos basales o de tallo, como la especie Acanthostega, son más primitivos que el ancestro común de todos los tetrápodos vivos hoy en día, por lo que no pertenecen a ninguno de los principales grupos de tetrápodos. Hay solo unas pocas docenas de especies en esta clasificación, y todas están extintas desde hace mucho tiempo.
Aparte de los tetrápodos basales, hay tres grupos principales de tetrápodos: anfibios, sinápsidos (que significa «arco fusionado», los mamíferos son los únicos sinápsidos vivos en la actualidad) y saurópsidos (que significa «cara de lagarto»). Todos estos grupos son monofiléticos excepto por la posible excepción de los anfibios; algunos investigadores sospechan que las salamandras pueden haber evolucionado de un antiguo anfibio más primitivo que el antepasado común de todos los demás anfibios vivos. Otro nombre para los sinápsidos es terópsido, que significa «cara de bestia», y otro nombre para los saurópsidos es «reptiles».
Tanto los sinápsidos como los saurópsidos son amniotas, lo que significa que las formas fetales se nutren de una serie compleja de nutrientes y membranas hasta que maduran lo suficiente como para respirar aire y caminar por el mundo de forma independiente. En el caso de los sinápsidos, se trata de un útero (mamíferos placentarios) o una bolsa (marsupiales). Los saurópsidos ponen huevos. Se cree que los sinápsidos y los saurópsidos evolucionaron a partir de los anfibios aproximadamente al mismo tiempo, hace unos 320 millones de años, durante el período Carbonífero. Hylonomus es el reptil confirmado más antiguo en el momento de escribir este artículo, mientras que Archaeothyris es el sinápsido más antiguo. Ambos se asemejaban a pequeños lagartos, y fueron empequeñecidos por los grandes anfibios que dominaban los ecosistemas terrestres en ese momento. No fue hasta después de una edad de hielo cerca del final del Carbonífero que algunos de los grandes anfibios comenzaron a morir y los sinápsidos y saurópsidos aumentaron de tamaño para llenar los nichos vacíos.