뇌
척추동물의 두뇌 진화는 대뇌를 포함한 전뇌의 부피증가가 특징적이다. 원시어류의 경우 척추 앞부분에 약간 부풀어오르는 돌기모양의 뇌를 갖는다. 그보다 조금 더 발달한 어류는 원시어류에 비해 약간 큰 1~2g 정도의 돌기를 갖게 되었다. 이 돌기가 고등 동물의 후뇌, 뇌간, 중뇌에 해당된다.
머리
아주 단순한 동물의 경우 머리가 없는 것도 있으나 대부분의 좌우대칭동물류는 머리가 있다. 척추동물은 배아 시기부터 신경관의 발달과 함께 머리가 형성된다. 척추동물 배아의 머리가 형성되는 과정에서 신경관은 뇌가 되고 머리뼈로 둘러싸이게 되며 뇌에서 나온 척수는 척추로 보호된다. 머리는 척추동물의 부위 중 가장 복잡한 해부학적 구조를 지니고 있다.