La investigación paleontológica suele basarse en material fósil. Los científicos utilizan isótopos radiactivos para determinar la edad absoluta de las rocas y dividirlas en diferentes edades geológicas. Estos organismos antiguos conservados en la era geológica registran las condiciones ambientales y la información biológica de esa época. Después de miles de años de deposición, formaron fósiles y se convirtieron en la base para estudiar la historia geológica y la historia de la evolución biológica.
Los fósiles de peces no son muy ricos, pero aún pueden mostrar el proceso de desarrollo de varios tipos de peces en la antigüedad y en la actualidad. Los primeros fósiles de peces se depositaron en rocas del Cámbrico y del Ordovícico hace unos 400 millones de años. A partir del estudio de las rocas, se sabía que estos primeros peces vivían en ambientes de agua salada u océanos, y que sus cuerpos estaban cubiertos con un exoesqueleto duro parecido a una armadura. Estos peces primitivos estaban cubiertos por una armadura dura con una armadura delantera y trasera plana. Como no tienen mandíbula inferior, se les llama sin mandíbula. Podría decirse que son los peces más antiguos. Como llevan armadura y no pueden nadar, sólo pueden vivir en sedimentos submarinos. Cabe decir que son un grupo de peces que no saben nadar. El endoesqueleto de las mandíbulas no se ha conservado, por lo que los científicos especulan que tenían huesos blandos, como los que vemos hoy en los tiburones cartilaginosos y los peces ramificados.
Se descubrió una gran cantidad de fósiles completos sin mandíbulas en el período Devónico, que puede considerarse como el inicio de la era de los peces. En el Cenozoico, varios peces antiguos y modernos coexistieron en los océanos y otras aguas de la tierra, y la familia de los peces alcanzó su apogeo.
A partir de los peces sin mandíbulas también se desarrollaron los primeros peces con mandíbulas. La mandíbula inferior original se transformó a partir de varios arcos branquiales óseos. Los arcos branquiales originalmente estaban enterrados en los músculos. Durante el curso de la evolución, la mandíbula inferior y el cráneo se fusionaron en uno, dando como resultado un órgano alimentario más fuerte y eficiente llamado masticador.
El pez mandíbula primitivo, también conocido como pez escudo, floreció durante el período Devónico, pero la mayoría se extinguió al final del período Devónico. En general, se cree que los peces cartilaginosos y óseos evolucionaron a partir del pez escudo y se desarrollaron en diferentes direcciones, pero no se ha encontrado evidencia clara que respalde esta inferencia. Algunos peces escudo todavía tienen cuerpos planos, como sus antepasados, pero la mayoría se han vuelto más aerodinámicos y menos blindados, lo que les otorga fuertes habilidades para nadar; Los peces cartilaginosos también se despojaron de su pesada armadura (pero aún conservan rastros de sus placas dorsales) y desarrollaron una musculatura más fuerte, adecuada para nadar. Algunos científicos consideran que los peces cartilaginosos son peces "primitivos", pero aún no se ha demostrado si son realmente más primitivos que los peces óseos.
El estudio de la aparición y evolución de las mandíbulas de los vertebrados se inició con estudios embriológicos realizados en el siglo pasado, que revelaron un importante proceso en la evolución. La aparición de la mandíbula indica la aparición de una nueva característica importante de los animales que puede expandir las áreas de vida de un grupo a áreas que antes no estaban disponibles. Desde entonces, los peces se han expandido rápidamente y se han convertido en el grupo de organismos nadadores más común en la actualidad.
Los peces esqueléticos primero vivieron en agua dulce, luego se extendieron gradualmente al océano y finalmente se convirtieron en el grupo dominante de peces marinos. Durante el curso de la evolución, desarrollaron huesos duros internos, convirtiendo su rígida armadura en escamas delgadas, lo que les permitió volverse ágiles y flexibles y aumentar su velocidad de movimiento.
Hay dos categorías principales de peces óseos, entre las cuales el número y los tipos de peces con aletas radiales superan con creces al de otro tipo de peces: los endonares. Los peces entonasales incluyen algunas especies primitivas con morfología y estructura especiales. Tienen estructuras de fosas nasales internas que les permiten cerrar la boca sin afectar la respiración. Hoy en día, los únicos peces con fosas nasales internas que se ven son el pez pulmonado y el marlín. Las barracudas pertenecen a la clase Echinodermata. Conocido como un fósil viviente, los científicos lo consideraban una especie extinta antes de 1938. En 1938, un pescador de la costa sureste de África capturó la primera cola de barracuda, lo que causó sensación en el mundo. Posteriormente, fueron capturados uno tras otro, lo que confirma que este antiguo pez aún vive en los océanos modernos. Las características importantes de los celacantos son sus aletas lobuladas, que tienen músculos y espinas conectadas que permiten a algunos peces arrastrarse por la tierra. Están estrechamente relacionados con los anfibios. Se cree que los anfibios evolucionaron a partir de ellos.