Au cours de la période géologique du Dévonien, il y a environ 375 millions d'années, un groupe de vertébrés grimpé hors de l'eau et sur la terre. Cet événement - le franchissement de la frontière entre la mer et la terre ferme - signifiait que les vertébrés avaient enfin concocté des solutions, même primitives, aux quatre problèmes fondamentaux de la vie sur terre. Pour qu'un vertébré aquatique puisse survivre sur terre, l'animal:
Les effets de la gravité imposent des contraintes importantes sur la structure squelettique d'un vertébré terrestre. L'épine dorsale doit être capable de soutenir les organes internes de l'animal et de répartir efficacement le poids vers le bas dans les membres, qui à leur tour transmettent le poids de l'animal au sol. Les modifications du squelette nécessaires pour y parvenir comprenaient une augmentation de la force de chaque vertèbre (lui permettant de maintenir un poids supplémentaire), l'ajout de côtes (qui poids réparti et fourni un soutien structurel), et le développement de vertèbres imbriquées (permettant à la colonne vertébrale de maintenir la posture nécessaire et printemps). Une autre modification clé a été la séparation de la ceinture pectorale et du crâne (chez les poissons, ces os sont connectés), ce qui a permis aux vertébrés terrestres d'absorber le choc subi pendant le mouvement.
On pense que les premiers vertébrés terrestres sont nés d'une lignée de poissons qui possédaient des poumons. Si cela est vrai, cela signifie que la capacité de respirer de l'air s'est développée en même temps que les vertébrés terrestres faisaient leurs premières incursions sur un sol sec. Le plus gros problème pour ces créatures était de savoir comment éliminer l'excès de dioxyde de carbone produit lors de la respiration. Ce défi - peut-être encore plus que de trouver comment acquérir de l'oxygène - a façonné les systèmes respiratoires des premiers vertébrés terrestres.
Traiter avec la perte d'eau (également appelé dessiccation) a également présenté des défis aux vertébrés terrestres précoces. La perte d'eau à travers la peau peut être minimisée de plusieurs manières: en développant une peau étanche, en sécrétant une substance cireuse imperméable à l'eau à travers les glandes de la peau, ou en habitant des terres humides les habitats. Les premiers vertébrés terrestres ont utilisé toutes ces solutions. Beaucoup de ces créatures ont également pondu leurs œufs dans l'eau pour empêcher les œufs de perdre de l'humidité.
Le dernier grand défi de l'adaptation à la vie sur terre a été l'ajustement des organes sensoriels destinés à la vie sous l'eau. Des modifications de l'anatomie de l'œil et de l'oreille ont été nécessaires pour compenser les différences de transmission lumineuse et sonore. De plus, certains sens ont été simplement perdus lorsque les vertébrés se sont déplacés vers la terre, comme le système de lignes latérales. Dans l'eau, ce système permet aux animaux de ressentir les vibrations, les sensibilisant aux créatures proches; dans l'air, cependant, ce système a peu de valeur.