１、脊索（notochord）是背部起支持体轴作用的一条棒状结构，介于消化道和神经管之间。脊索来源于胚胎期的原肠背壁，经加厚、分化、外突，最后脱离原肠而成脊索。脊索由富含液泡的脊索细胞组成，外面围有脊索细胞所分泌而形成的结缔组织性质的脊索鞘（notochordal sheath）。脊索鞘常包括内外两层，分别为纤维组织鞘（fibrous sheath）和弹性组织鞘（elastic sheath）。充满液泡的脊索细胞由于产生膨压，使整条脊索既具弹性，又有硬度，从而起到骨骼的基本作用（下图）。低等脊索动物中，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间出现脊索，发育完全时即被分节的骨质脊柱（vertebral column）所取代。组成脊索或脊柱等内骨骼（endoskeleton）的细胞，都能随同动物体发育而不断生长。而无脊椎动物则缺乏脊索或脊柱等内骨骼，通常仅身体表面被有几丁质等外骨骼（exoskeleton）。
２、背神经管（dorsal tubular nervecord）脊索动物神经系统的中枢部分是一条位于脊索背方的神经管，由胚体背中部的外胚层下陷卷褶所形成。背神经管在高等种类中前、后分化为脑和脊髓。神经管腔（neurocoele）在脑内形成脑室（cerebral ventricle），在脊髓中成为中央管（centralcanal）。无脊椎动物神经系统的中枢部分为一条实性的腹神经索（ventral nerve cord），位于消化道的腹面。
３、咽鳃裂（pharyngeal gill slits）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地与外界相通，这些裂孔就是咽鳃裂。低等水栖脊索动物的鳃裂终生存在并附生着布满血管的鳃，作为呼吸器官，陆栖高等脊索动物仅在胚胎期或幼体期（如两栖纲的蝌蚪）具有鳃裂，随同发育成长最终完全消失。无脊椎动物的鳃不位于咽部，用作呼吸的器官有软体动物的栉鳃以及节肢动物的肢鳃、尾鳃、气管等。
４、脊索动物的心脏及主动脉位于消化道的腹面，循环系统为闭管式。无脊椎动物的心脏及主动脉在消化道的背面，循环系统大多为开管式。
５、极大多数脊索动物于肛门后方有肛后尾（post-anal tail）。无脊椎动物的肛孔常开口在躯干部的末端。
在上述特征中，具有脊索、背神经管和咽鳃裂是区别脊索动物和无脊椎动物最主要的３个基本特征。此外，脊索动物还有一些性状同样也见于高等无脊椎动物的，例如三胚层、后口、存在次级体腔、两侧对称的体制、身体和某些器官的分节现象等。这些共同点表明脊索动物是由无脊椎动物进化而来的。
二、脊索的出现在动物演化史上的意义
脊索的出现是动物演化史中的重大事件，使动物体的支持、保护和运动的功能获得“质”的飞跃。这一先驱结构在脊椎动物达到更为完善的发展，从而成为在动物界中占统治地位的一个类群。
脊索（以及脊柱）构成支撑躯体的主梁，是体重的受力者，使内脏器官得到有力的支持和保护，运动肌肉获得坚强的支点，在运动时不致由于肌肉的收缩而使躯体缩短或变形，因而有可能向“大型化”发展。脊索的中轴支撑作用也使动物体更有效地完成定向运动，对于主动捕食及逃避敌害都更为准确、迅捷。脊椎动物头骨的形成、颌的出现以及椎管对中枢神经的保护，都是在此基础上进一步完善化的发展。