1. 脊索动物的主要特征之一是具有脊索，这是一条起支持作用的棒状结构，位于消化道和神经管之间。它由液泡细胞组成，周围包围着结缔组织鞘，既坚韧又有弹性。在脊索动物的胚胎期，所有个体都具有脊索，其后有的个体终身保留脊索，有的则退化并被脊柱所替代。
2. 脊索动物的中枢神经系统位于脊索背面，是一个中空管状的结构。背神经管的形成是由胚胎背中部的外胚层下陷卷褶形成的。在原始的脊索动物中，背神经管不发达，而在脊椎动物中，背神经管的前部会膨大形成脑。脑之后的神经管发育成为脊髓。
3. 咽鳃裂是脊索动物的另一个主要特征，它们是一系列左右成对排列、数目不等的裂缝，直接或间接与外界相通。在低等水生脊索动物中，咽鳃裂终生存在，裂缝之间的咽壁上生长着充满血管的鳃，用作呼吸器官。而在陆生高等脊索动物中，仅在胚胎时期或某些种类的幼体期有咽鳃裂，成体时会消失或转变为其他结构。
