„Žuvis“ yra žodis, naudojamas apibūdinti bet kurį ne tetrapodą stuburinį. Žuvų evoliucijos istorija prasidėjo prieš 530 milijonų metų, vidurio kambro periodu. Kai kurie iš seniausių žinomų gyvūnų žuvų evoliucijos istorijoje yra Pikaia gracilens, primenantis šiuolaikinį lanceletą, randamą garsiajame Burgesso skalūnų rinkinyje, ir Haikouichthys bei Myllokunmingia iš Maotianshan skalūnų Pietų Kinijoje. Šios paprastos žuvys be žandikaulio egzistavo maždaug 100 milijonų metų, kol atsirado pirmoji žandikaulių žuvis. Tai taip pat ankstyviausi žinomi stuburiniai gyvūnai.
Iš pradžių žuvys buvo mažumos nariai ekosistemoje, kurioje dominavo bestuburiai, ypač brachiokojai, kempinės ir nariuotakojai, tokie kaip trilobitai. Tik Silūro periode, maždaug prieš 420 milijonų metų, žandikaulio žuvys išsivystė ir pradėjo veiksmingai konkuruoti su bestuburiais. Ankstyviausios žandikaulių žuvys buvo plakodermai – žuvų šeima su specialiais galvos ir krūtinės ląstos šarvais, apsaugančiais jas nuo plėšrūnų. Šios žuvys yra visų šiuolaikinių stuburinių gyvūnų, įskaitant žmones ir visus mūsų augintinius bei gyvulius, protėviai.
Žuvys be žandikaulių buvo greitai nukonkuruotos, palikdamos tik keletą mažų giminių, dėl kurių atsirado šiuolaikinės žiobrinės žuvys, nėgiai ir lancetai. Kartais šie gyvūnai nėra laikomi tikromis žuvimis dėl radikaliai skirtingos fiziologijos. Netgi nesutariama, ar nėgiai apskritai yra stuburiniai, nes jų kremzlių „skeletas“ toks primityvus.
Žuvų evoliucijos istorija tęsėsi vyraujant žandikaulių žuvims, ypač plikodermams, kurie superplėšrūnams, tokiems kaip Dunkelosteus telleri, užaugo net 6 m (20 pėdų). Dideli plėšrūnai, tokie kaip Dunkelosteus, laikomi pirmaisiais stuburiniais superplėšrūnais ir tvirtai įtvirtino stuburinių, kaip viršūnių plėšrūnų, vaidmenį pasaulio ekosistemose, o šis vaidmuo tęsis visą likusį evoliucijos istoriją. Plakodermai dominavo visą silūro laikotarpį, keliasdešimt milijonų metų, iki pat devono, kai žuvys pradėjo sparčiai įvairėti.
Devonas buvo didžiausias žuvų evoliucijos istorijos etapas, kai iš plikodermo sėklų išsivystė daug šiuolaikinių ir išnykusių formų, įskaitant ryklius ir rajus, akantodus (“dygliuotus ryklius”, dabar jau išnykusius), rajų pelekus (kurios dominuoja jūros šiandien) ir skilčių žuvys, kurios ilgainiui išsivystė į sausumos stuburinius gyvūnus. Žuvys sėkmingai nukonkuravo daugelį kitų jūrų organizmų, tapdamos dominuojančiu judriu jūrų gyvūnu, dalijantis jūrą su mažais nariuotakojais, tokiais kaip ropliai ir kriliai.
Nors skiltelespelekės žuvys ir akantodai demonstravo trumpalaikę sėkmę devono laikais, akantodai beveik išmirė iki kito periodo, karbono, pabaigos, o skilčių pelekų žuvys tapo mažuma po to, kai per tą patį geologinį laikotarpį atsirado tetrapodai. . Daugelį metų buvo manoma, kad joms atstovauja tik plaučiai, kol prie Pietų Afrikos krantų buvo ištrauktas koelakantas. Gyvojo koelakanto atradimas buvo laikomas vienu didžiausių XX amžiaus zoologinių radinių.