Cechą wyróżniającą kręgowce spośród innych strunowców jest obecność kręgosłupa, tworzącego szkielet osiowy ciała. Ta giętka struktura powstaje wokół struny grzbietowej i u większości gatunków wypiera ją podczas rozwoju zarodkowego. Kręgosłup składa się z chrzestnych lub kostnych segmentów zwanych kręgami; ich grzbietowe wyrostki otaczają rdzeń kręgowy na całej jego długości. Z przodu ciała przed kręgosłupem znajduje się czaszka, czyli puszka mózgowa, otaczająca i chroniąca mózg, który stanowi przednią, rozszerzoną część cewki nerwowej. Czaszka i kręgosłup tworzą osiową część szkieletu wewnętrznego kręgowców. W przeciwieństwie do szkieletu zewnętrznego bezkręgowców, jest on zbudowany z żywej tkanki rosnącej wraz ze zwierzęciem. U większości kręgowców jest to tkanka kostna, zawierająca osteocyty, włókna zbudowane z białka zwanego kolagenem, oraz twardą substancję międzykomórkową, zawierającą zmineralizowany fosforan wapnia. Wiele elementów budowy wspólnych dla kręgowców powstaje z grupy zarodkowych komórek zwanych komórkami grzebienia nerwowego, występujących tylko u kręgowców. Pojawiają się one na wczesnym etapie rozwoju zarodkowego i migrują do różnych części zarodka. Komórki grzebienia nerwowego biorą udział w powstawaniu wielu struktur, m.in. nerwów, szczęk i mięśni głowy. Jak pamiętamy, wiele grup bezkręgowców wykazuje ewolucyjną tendencję do cefalizacji, czyli skupiania się komórek nerwowych i narządów zmysłowych w odcinku głowowym. U kręgowców proces ten jest jeszcze bardziej zaawansowany. Mózg stał się u nich duży i złożony, gdyż różne jego części wyspecjalizowały się do pełnienia określonych funkcji.