Avec les amphibiens, les vertébrés amorcent leur sortie de l'eau. Bien qu'il soit courant de les faire "descendre" des poissons, la polémique perdure quant à cette filiation; la présence de similitudes, notamment crâniennes, dans des espèces intermédiaires, (poissons crossoptérygiens, amphibiens stégocéphales) ne résistant pas au problème posé par la transformation du membre ichthyen des premiers en celui, chiridien, des seconds. C'est en tout cas grâce à ces membres de structure radicalement différente que s'accomplit le passage de la vie aquatique à la vie terrestre, marqué aussi par de nombreuses autres transformations (dont la capacité de hocher la tête). Les amphibiens, devenus donc tétrapodes (quatre membres) comme tous les vertébrés hormis les poissons, se caractérisent en effet par de nombreuses particularités liées à la dualité de leur milieu de vie, dualité qui explique leur nom (en grec, amphi : des deux côtés, bios : vie). Du monde aquatique, ils conservent leur forme larvaire à respiration branchiale, mais montrent leur adaptation à la vie terrestre par la présence d'un système pulmonaire à l'âge adulte. L'oxygénation du sang se fait aussi par la peau sans écailles, molle, visqueuse, humide et fortement vascularisée chez toutes les espèces vivantes (sauf les gymniophiones). L'apparition de la respiration pulmonaire s'accompagne de modifications du système circulatoire. Le coeur comprend deux oreillettes mais un seul ventricule, dont le fonctionnement reste très mystérieux. Il ne permet pas au corps de conserver sa température interne. Les amphibiens sont ovipares, les oeufs éclosent dans l'eau sous forme de têtards qui se métamorphosent par remplacement des branchies par des poumons et apparition des membres postérieurs puis antérieurs. Quelques espèces protègent leur oeufs dans des nids, d'autres les incubent dans une poche dorsale ou ventrale, d'autres enfin sont vivipares.
Les amphibiens apparaissent au Dévonien, à la même période que les poissons (entre 395 et 345 millions d'années avant le présent). La plupart des genres actuels appartiennent à deux super-ordres : les anoures, dépourvus de queue (grenouille, crapaud), font partie de la sous-classe des apsidospondyles, nom signifiant que la voûte des vertèbres est ossifiée; les urodèles (salamandre, triton) appartiennent à celle des urodéliphormes, qui ressemblent à des lézards.
Les reptiles réalisent l'étape ultérieure de la sortie des eaux grâce à l'acquisition d'une peau couverte d'écailles en kératine et parfois ossifiée en carapace (tortues), qui s'oppose à la perte d'eau par évaporation, Des poumons complexes mais contentant encore des sacs aériens compensent l'abandon de la respiration cutanée. Le crâne s'articule dans les deux sens sur la colonne vertébrale par un condyle occipital. Le ventricule unique du coeur est en partie divisé en deux cavités, distinctes chez les crocodiles. La température interne du corps est variable. Le système digestif se caractérise par l'acquisition d'un second palais osseux, qui repousse les narines internes vers l'arrière et permet à l'animal de respirer en mastiquant. Les conduits urinaires se terminent par un cloaque où débouche aussi le système génital, mais un canal spécifique équipe le pénis érectile des mâles. C'est d'ailleurs de leur mode de reproduction que vient la différence majeure avec les amphibiens. Les reptiles, en majorité ovipares, fécondent par copulation et non dans l'eau. Les oeufs, recouverts d'une coquille calcaire, sont pondus sur terre puis enfouis dans le sol. Les petits, nourris par le liquide contenu dans une poche amniotique, achèvent leur développement à l'intérieur de l'oeuf dont ils sortent aptes à affronter leur milieu.
Libérés de la contrainte aquatique, les reptiles régnèrent en maîtres sur l'ère secondaire, marquée par un retrait des eaux. Les plus anciens remontent au Dévonien, comme les poissons et les amphibiens (une des raisons pour lesquelles il faut éviter d'adhérer au shéma classique des filiations). La disposition des absides, cavités temporales qui différencient leur crâne de celui des amphibiens et des poissons, sert de base à leur classification. Les anapsidés, dont il reste les tortues, n'en possèdent pas. La fosse temporale est unique et basse chez les synapsidés, haute chez les parapsidés, et située sur la partie supérieure du crâne chez les eurapsidés. Ses trois sous-classes sont uniquement fossiles. Hormis les tortues, tous les reptiles vivants appartiennent aux diapsidés (deux fosses temporales), de même que la plupart des grands fossiles bien connus du grand public (dinosauriens et ptérosauriens).