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.