Побочным эффектом фотосинтеза стало выделение в атмосферу свободного кислорода. Содержание кислорода увеличивалось, тогда как содержание углекислого газа уменьшалось, делая состав воздуха более подходящим для жизни животных. Членистоногие были первыми животными, которые получили преимущество от улучшения условий в атмосфере, и среди ранних растений обитали скорпионы с многоножками.
Сходство между лопастеперыми рыбами, такими как эустеноптерон, и ранними четвероногими вроде ихтиостеги (Ichthyostega) демонстрирует явное свидетельство происхождения четвероногих. У ихтиостеги рыбий позвоночный столб из однородных позвонков был замещен более тяжелым и прочным образованием и полностью развитой грудной клеткой, позволяющими поддерживать животное на суше. Ее конечности, хотя и длиннее, чем рыбьи плавники, по форме похожи на них.
Следующий, девонский, период известен как век рыб. Первыми эволюционировавшими от примитивных бесчелюстных форм были плакодермы (пластинокожие) вроде динихтиса (Dinichthys) – панцирные рыбы, которые имели челюсти, появившиеся в процессе эволюции из костей жаберных дуг. До конца девона их по большей части заместили хрящевые рыбы типа кладоселахии (Cladoselache), предшественники акул и скатов. Костные рыбы, наиболее разнообразные и широко распространенные, существовали бок о бок с этими хрящевыми видами. Они делились на две основные группы – лучеперых рыб, которые оказались самыми успешными, и лопастеперых, таких как эустеноптерон (Eustenopteron). Последняя группа наиболее важна с эволюционной точки зрения. Обитание в мелких пресных водоемах, периодически пересыхавших, дало им эволюционный стимул выживать вне воды. Когда водоем исчезал, эустеноптерон переползал по суше к соседнему при помощи пары мускулистых плавников, эволюционировавших из органов-стабилизаторов. В это время он мог дышать воздухом при помощи примитивных легких, развившихся из выростов глотки. Жизнь позвоночных на суше началась, пусть даже она была лишь временной мерой, позволяющей продолжить существование в воде. К концу девона появились животные, похожие на земноводных, способные проводить большую часть взрослой жизни на суше. Их называют общим термином «четвероногие», подчеркивая основную особенность – наличие четырех ног. Один из их ранних представителей, ихтиостега (Ichthyostega), хотя и обладал рыбьими признаками строения хвоста и черепа, демонстрирует типичное строение конечностей, снабженных пальцами и поддерживаемых сильными поясами конечностей, наблюдаемыми у наземных животных. От многочисленных пальцев у этих ранних форм вскоре осталось лишь пять – такой тип строения является базовым для всех современных наземных