Ngay tên gọi đã phản ánh đặc trưng của những loài thuộc nhóm này là không có xương sống. Nhóm này chiếm 97% trong tổng số các loài động vật – tất cả động vật trừ các loài động vật trong phân ngành động vật có xương sống, thuộc ngành động vật có dây sống (cá, lưỡng cư, bò sát, chim, và thú).

Các động vật không xương sống hợp thành một nhóm cận ngành. Phát sinh từ một tổ tiên nhân chuẩn đa bào chung, tất cả các ngành trong nhóm này là các động vật không xương sống cùng với 2 trong số 3 phân ngành trong ngành động vật có dây sống là Tunicata và Cephalochordata. Hai phân ngành này cùng với tất cả các loài động vật không dây sống đã biết khác có chung một nhóm Hox gene, trong khi các loài động vật có xương sống có nhiều hơn một cụm Hox gene nguyên thủy.

Trong ngành nghiên cứu động vật học cổ và cổ sinh học, những động vật không xương sống thường được nghiên cứu trong mối liên hệ hóa thạch được gọi là cổ sinh học động vật không xương sống.