脊椎動物演化的研究在古生物學、比較基因組學和發育遺傳學的交匯處產出了深刻的洞見。
脊椎動物基因組倍增假說（2R Hypothesis）
Ohno（1970）提出脊椎動物祖先經歷了兩輪全基因組倍增（2R-WGD），Dehal & Boore（2005, PLoS Biology）的比較基因組學分析提供了支持證據。這些 WGD 事件為脊椎動物的創新提供了大量可進化的基因副本——paralogous Hox 簇（哺乳類有 4 個 Hox 簇，七鰓鰻有 6 個）即是 WGD 的直接結果。Smith et al.（2018, Nature Genetics）對七鰓鰻的基因組分析表明，七鰓鰻/盲鰻的分支可能經歷了獨立的第三輪 WGD。
水→陸轉換的發育遺傳基礎
Shubin et al.（2006, Nature）描述的 Tiktaalik 填補了肉鰭魚→四足動物的形態學空白。Nakamura et al.（2016, Nature）在小鼠胚胎中證明了肢芽發育的 Shh（Sonic Hedgehog）訊號通路與魚鰭的 zone of polarizing activity 在發育遺傳學上同源——暗示「鰭→肢」的轉變不需要從頭發明新的發育程序，而是修改既有的基因調控網絡。
Luo et al.（2022, Cell）利用單細胞 RNA 定序比較了斑馬魚鰭和小鼠四肢的細胞類型，發現了出乎意料的高度轉錄組保守性，包括共享的祖先細胞狀態，支持「深度同源性」（deep homology）概念。
鳥類的恐龍起源與飛行演化
Xu et al.（2014, Science）綜述了從獸腳類恐龍到鳥類的漸進式體型縮小和飛行特徵獲得：羽毛最初可能用於保溫或展示，後被 co-opted 為飛行器官。Prum et al.（2015, Nature）基於全基因組數據的鳥類系統發育樹解析了現代鳥類的輻射時間——約在 K-Pg 大滅絕（66 Ma）後的 1000 萬年內快速分化（neoavian radiation）。
Field et al.（2018, Current Biology）利用化石紀錄和系統發育分析表明，只有小型、非樹棲、種子食性的鳥類祖先在 K-Pg 大滅絕中存活——全球森林的毀滅淘汰了所有依賴樹棲生態位的鳥類支系。
哺乳類的適應輻射
O'Leary et al.（2013, Science）結合形態學和分子數據重建了胎盤哺乳類祖先——一隻小型、食蟲、夜行的動物，在白堊紀-古近紀滅絕事件後快速輻射。dos Reis et al.（2012, Proc R Soc B）的分子鐘分析暗示胎盤哺乳類的目級分化可能早於 K-Pg 滅絕，但生態位釋放（恐龍滅絕）觸發了形態和體型的爆發式多樣化。
哺乳類新皮質的擴張與認知能力的演化是活躍的研究前沿。Herculano-Houzel（2012, PNAS）的「等距縮放」（isometric scaling）研究發現靈長類每單位腦重包含的神經元數量顯著多於齧齒類——人腦的 860 億神經元在靈長類的腦-體型關係上並非異常值，暗示人類認知能力的基礎是靈長類級別的神經元密度加上足夠大的腦容量。