脊索动物的三大主要特征是脊索、背神经管、咽鳃裂。
脊索：介于消化道和背神经管之间，起支持体轴作用的一条棒状结构。内部由泡状细胞构成，外围以结缔组织鞘，坚韧而有弹性。低等脊索动物脊索终生存在或仅见于幼体时期。高等脊索动物只在胚胎期出现，发育完全时被分节的骨质脊柱取代。
背神经管：位于脊索动物脊索背面的中空管状的中枢神经系统。由胚体背中部的外胚层下陷卷褶形成。脊椎动物的神经管前、后分化为脑和脊髓。
咽鳃裂：低等脊索动物在消化道前端的咽部两侧有一系列左右成对排列、数目不等的裂孔，直接开口于体表或以一个共同的开口间接的与外界相通，即咽鳃裂。原索动物和原始水栖脊椎动物终生存在并附生布满血管的鳃，作为呼吸器官，陆栖或次生水栖脊椎动物仅在胚胎期或幼体期出现。
