兩棲類是最初出現的陸上四足動物，目前公認的兩棲類祖先是發現於格陵蘭晚泥盆世地層中的魚石螈。它在許多方麵保留著魚的模樣，但畢竟這種動物能用肺呼吸，用四足在陸上行走，也就是說，已具備兩棲類的基本功能了。而且從它的骨骼解剖觀察，與總鰭魚類中的真掌鰭魚十分相似，於是也就公認兩棲類是從肉鰭魚類演化而來的，隻是它的祖先應是總鰭魚或是肺魚迄今仍無定論。
目前世界上僅格陵蘭發現過魚石螈化石。澳大利亞的晚泥盆世地層中雖曾發現過類似魚石螈的足跡，卻不能肯定是否為最早的某種具體的兩棲類動物。
我國尚無此類化石的報道。
兩棲綱劃分為三個亞綱：
迷齒亞綱——又稱堅頭亞綱，產於泥盆紀至侏羅紀，其頭骨構造相當堅固，脊椎骨也頗為複雜，是兩棲類的祖先類型。
殼椎亞綱——石炭紀至三疊紀（或二疊紀），具有線軸狀椎骨的兩棲類。
無甲亞綱——三疊紀至現代，身體表麵光滑，皮膚裸露的兩棲類。
迷齒兩棲類動物自晚泥盆世問世以後，成為石炭二疊紀時期兩棲動物的主體，許多化石往往發現於煤係地層中，可見它們當時多生活在森林中的沼澤地帶，所以地質曆史上把石炭二疊紀稱為兩棲動物時代。
我國的迷齒類化石於1983年6月首次發現於新疆烏魯木齊六道灣。當時，在駐軍的營房區域開挖地基時看到骨骼化石，中國科學院古脊椎動物與古人類研究所赴新疆考察的專業人員聞訊趕來，進一步進行發掘，獲得多具標本，帶回北京交由張法奎教授研究。經過詳細觀察比較，認為是一具新屬標本，定名為烏魯木齊鯢。大者體長40厘米，小者僅10厘米。與其伴生的化石尚有葉肢介、古鱈魚、蘆木化石等，於是確定為晚二疊世。化石所在的地層屬油頁岩組，可見當時動物正處在古湖泊的邊緣上。目前，在哈密、吐魯番盆地勘探到該地層中出產石油與天然氣，正是古湖泊的位置。這具烏魯木齊鯢還可作為找油找氣的標誌性化石。
另外，在吐魯番也找到保存十幾顆牙齒的一塊上頜骨化石。經楊鍾健院士研究，定名為吐魯番耳曲鯢，其時代與生活環境也同烏魯木齊鯢一樣。
以往都認為迷齒兩棲類在三疊紀末期就滅絕了。1977年，在澳大利亞昆士蘭早侏羅世地層中發現迷齒類化石，說明它們的滅絕時間往後推遲了。
後來，在新疆克拉瑪依地區、四川自貢市中侏羅世地層中，均相繼發現尚未滅絕的迷齒類化石。其中產於自貢的標本，頭部保存得相當完整，經董枝明教授研究，定名為中國短頭鯢。其身體大小中不等，頭骨上可見側線溝的殘留痕跡，表示其原始性狀，這是目前已知在地球上生存的最後迷齒兩棲動物。
關於殼椎兩棲類化石，我國尚未發現。
無甲兩棲類，現生的所有兩棲動物均包括在此亞綱中，它可能起源於石炭紀時期，與殼椎類有共同的祖先，但在石炭二疊紀地層中尚未發現其代表化石。
在馬達加斯加島上的早三疊世地層中發現的三疊蛙，或稱原蛙，認為是無甲兩棲動物的祖先。它的外形與現代蛙類十分相似，但尚殘留一小段尾椎骨。至早侏羅世時出現的蛙類，未見尾椎骨，與現生者已無太大的區別了。
我國的蛙類化石，最早在1936年由楊鍾健研究，其標本材料采自山東臨朐山旺中新世地層中，定名為玄武蛙。其基本特征與現生的蛙類沒有什麼太大的區別。在化石的周圍，還可見到許多蝌蚪化石，可見原地埋藏於湖沼內。
與玄武蛙類似的尚有蟾蜍，北京周口店的洞穴堆積物中曾發現過，隻是標本太破碎，僅見一些股骨，無法鑒定其名稱。
山旺中新世地層中還發現若幹蠑螈化石，定名為中新蠑螈，其特征基本上與現生者東方蠑螈十分接近，隻是其個體稍小。