脊索動物的來源有兩種假說：環節來源說和棘皮來源說。由于棘皮來源說有更多的證據 ，本文按照棘皮來源說（echinoderm theory）論述。
脊索動物有一些性狀與棘皮動物相同，如后口 、三胚層、兩側對稱 和分節現象 等，說明脊索動物是由棘皮動物進化而來。按照綜合進化論 可以推測某些棘皮動物胚胎期變異 后體內產生脊索雛形，這種脊索雛形使棘皮動物幼體 可以更方便的運動 ，從而擴大了攝食范圍和增強了逃避敵害的能力，也使得有脊索雛形個體可以到達更遠的地方，降低種內競爭 ，形成了形成新物種的條件。在自然選擇下體內有脊索雛形的棘皮動物形成了新的物種。雖然由于原始脊索動物沒有化石殘留，但通過比較解剖學和胚胎學的證據，半索動物的幼體──柱頭幼蟲（Torn aria）可能可以作為棘皮動物和脊索動物的過渡型。因為柱頭幼蟲咽喉正中的背側生長的囊狀體從發生學和功用上均類似于脊索，生物學家也稱其為脊索原基。
自然選擇令在運動和支撐身體上有更多優勢的脊索使越來越完善。于是進化出尾索動物（Subphylum Urochordata）。尾索動物仍保留有半索動物的一些特征：幼體尾部有較為成型的脊索，但在成體內脊索又消失。但是幼體脊索已經開始成型。如現存的海鞘（Ascidiacea）、尾海鞘（Appendiculariae）等生物。
由于脊索不僅能令動物幼體更具生存競爭力，對于成體，脊索也有新的用途 ，所以變異的那些脊索消失較晚的個體漸漸淘汰了脊索消失早的個體，這些脊索消失較晚的個體又進化出了新的生活方式和身體結構，這就是頭索動物（Subphylum Cephalochordata）。從比較胚胎學證據 也得出尾索動物進化又產生了頭索動物。頭索動物的脊索縱貫于全身的背部，并終生保留。頭索動物身體呈魚形，體節分明，表皮只有一層細胞，頭部不顯，故稱無頭類（Acrania），如文昌魚。至此，完整的脊索完全產生了。