Động vật lưỡng cư xuất hiện lần đầu tiên trên Trái đất trong kỷ Devon, cách đây hơn 400 triệu năm. Trong khi thời kỳ này nổi tiếng nhất về việc sản xuất ra lượng cá dồi dào, nó cũng dẫn đến sự chuyển đổi giữa cá và động vật lưỡng cư. Đó là trong thời kỳ Carboniferous, các loài lưỡng cư phát triển mạnh mẽ.
Một hóa thạch được tìm thấy ở Bắc Cực thuộc Canada vào năm 2004 tiết lộ rằng có những sinh vật có đốt sống, cũng như vây, cho phép chúng di chuyển trong nước. Hóa thạch cũng bao gồm một cái mõm để thở bằng không khí, cũng như xương sườn và cổ. Trong thời gian này, động vật lưỡng cư dành phần lớn thời gian ở dưới nước, nhưng có phổi và da đơn giản cho phép chúng thở trên cạn.
Trong thời kỳ Cây kim loại từ 299 đến 360 triệu năm trước, động vật lưỡng cư đã tiến hóa đáng kể. Khi đất đai ngày càng khô cằn, nhu cầu sử dụng trứng nước ối để sản xuất, khiến các loài lưỡng cư tiến hóa thành dạng phù hợp hơn với đất đai. Trong thời gian này, động vật lưỡng cư đã tiến hóa để có cấu trúc mạnh mẽ hơn, đầu phẳng lớn và các chi ngắn. Hộp sọ của họ trở nên sâu hơn và cơ thể của họ căng ra, cho phép họ di chuyển xung quanh một cách dễ dàng. Vào thời điểm này, đã có những ví dụ ban đầu về cá sấu, thằn lằn và rắn, cũng như những dấu hiệu ban đầu của khớp thần kinh.
