“Ikan” adalah kata yang digunakan untuk merujuk pada vertebrata non-tetrapoda. Sejarah evolusi ikan dimulai 530 juta tahun yang lalu, pada periode pertengahan Kambrium. Beberapa hewan tertua yang diketahui dalam sejarah evolusi ikan adalah Pikaia gracilens, yang menyerupai lancelet modern, ditemukan di kumpulan serpih Burgess yang terkenal, dan Haikouichthys dan Myllokunmingia dari serpih Maotianshan di Cina selatan. Ikan tanpa rahang sederhana ini ada selama kurang lebih 100 juta tahun sampai ikan berahang pertama berevolusi. Ini juga merupakan vertebrata paling awal yang diketahui.
Awalnya, ikan adalah anggota minoritas dalam ekosistem yang didominasi oleh invertebrata, terutama brakiopoda, spons, dan artropoda seperti trilobita. Baru pada periode Silur, kira-kira 420 juta tahun yang lalu, ikan berahang berevolusi dan mulai bersaing secara efektif dengan invertebrata. Ikan berahang paling awal adalah placoderms, keluarga ikan dengan pelindung kepala dan dada khusus untuk melindungi mereka dari pemangsa. Ikan ini adalah nenek moyang dari semua vertebrata modern, termasuk manusia dan semua hewan peliharaan dan ternak kita.
Ikan tanpa rahang dengan cepat dikalahkan, hanya menyisakan beberapa garis keturunan kecil yang akhirnya memunculkan hagfish, lamprey, dan lancelet modern. Terkadang hewan-hewan ini tidak dianggap sebagai ikan sejati karena fisiologi mereka yang sangat berbeda. Bahkan ada beberapa ketidaksepakatan mengenai apakah lamprey adalah vertebrata sama sekali, karena “kerangka” tulang rawan mereka sangat primitif.
Sejarah evolusi ikan berlanjut dengan dominasi ikan berahang, terutama placoderm, yang tumbuh sebesar 6 m (20 kaki) di superpredator seperti Dunkelosteus telleri. Predator besar seperti Dunkelosteus dianggap sebagai superpredator vertebrata pertama, dan dengan kokoh menetapkan peran vertebrata sebagai predator puncak dalam ekosistem dunia, peran yang akan berlanjut selama sisa sejarah evolusi. Placoderms mendominasi sepanjang periode Silur, selama beberapa lusin juta tahun, sampai Devon, ketika ikan mulai berdiversifikasi dengan cepat.
Devonian adalah periode tonggak terbesar dalam sejarah evolusi ikan, ketika banyak bentuk modern dan punah berevolusi dari benih placoderm, termasuk hiu dan pari, acanthodians (“hiu berduri,” sekarang punah), ikan bersirip pari (yang mendominasi laut hari ini), dan ikan bersirip lobus, yang akhirnya berevolusi menjadi vertebrata darat. Ikan berhasil mengungguli banyak organisme laut lainnya untuk menjadi hewan laut bergerak yang dominan, berbagi laut dengan artropoda kecil seperti copepoda dan krill.
Meskipun ikan bersirip lobus dan acanthodian menunjukkan keberhasilan sesaat selama Devon, acanthodian telah hampir punah pada akhir periode berikutnya, Karbon, sementara ikan bersirip lobus menjadi minoritas kecil setelah memunculkan tetrapoda selama periode geologis yang sama. . Selama bertahun-tahun, mereka dianggap hanya diwakili oleh lungfish, sampai seekor coelacanth ditarik ke lepas pantai Afrika Selatan. Penemuan coelacanth hidup dianggap sebagai salah satu penemuan zoologi terbesar abad ke-20.