Les tétrapodes sont un groupe monophylétique (descendant d’un ancêtre commun) d’animaux terrestres qui ont évolué il y a environ 365 millions d’années à partir de poissons à nageoires lobées appelés sarcoptérygiens. On pense que les tétrapodes ont évolué progressivement à partir de poissons adaptés à nager dans des marécages envahis par les mauvaises herbes. Ces poissons ont développé des nageoires inférieures musclées, lorsqu’ils naviguaient dans ces marécages, qui se sont finalement développés en pattes à part entière. Certaines de ces premières formes avaient de nombreux chiffres, contrairement aux cinq chiffres ou moins communs à tant de tétrapodes aujourd’hui.
Les premiers tétrapodes, appelés tétrapodes basaux ou à tige, comme l’espèce Acanthostega, sont plus primitifs que l’ancêtre commun de tous les tétrapodes vivants aujourd’hui, et ne font donc partie d’aucun des principaux groupes de tétrapodes. Il n’y a que quelques dizaines d’espèces dans cette classification, et elles sont toutes éteintes depuis longtemps.
Outre les tétrapodes basaux, il existe trois grands groupes de tétrapodes : les amphibiens, les synapsides (qui signifie arche fusionnée, les mammifères sont les seuls synapsides vivants aujourd’hui) et les sauropsides (qui signifie face de lézard). Ces groupes sont tous monophylétiques à l’exception possible des amphibiens ; certains chercheurs soupçonnent que les salamandres peuvent avoir évolué à partir d’un ancien amphibien plus primitif que l’ancêtre commun de tous les autres amphibiens vivants. Un autre nom pour les synapsides est theropside, qui signifie visage de bête, et un autre nom pour les sauropsides est reptiles.
Les synapsides et les sauropsides sont tous deux des amniotes, ce qui signifie que les formes fœtales sont nourries par une série complexe de nutriments et de membranes jusqu’à ce qu’elles soient suffisamment matures pour respirer de l’air et parcourir le monde de manière indépendante. Pour les synapsides, il s’agit d’un utérus (mammifères placentaires) ou d’une poche (marsupiaux). Les sauropsides pondent des œufs. On pense que les synapsides et les sauropsides ont évolué à partir des amphibiens à peu près à la même époque, il y a environ 320 millions d’années, au cours de la période carbonifère. Hylonomus est le premier reptile confirmé à ce jour, tandis qu’Archaeothyris est le premier synapside. Les deux ressemblaient à de petits lézards et étaient éclipsés par les grands amphibiens qui dominaient les écosystèmes terrestres à l’époque. Ce n’est qu’après une ère glaciaire vers la fin du Carbonifère que certains des grands amphibiens ont commencé à disparaître et que les synapsides et les sauropsides ont augmenté de taille pour remplir les niches vacantes.