В строении лопастеперых рыб имеются характерные архаические особенности: неокостеневающая упругая хорда является основой осевого скелета; тел позвонков нет; очень подвижные и массивные или длинные опорные лопасти парных плавников снабжены особым внутренним скелетом из удлиненных костей; опорный тазовый пояс брюшных плавников расположен вблизи клоакального выводного отверстия; чешуя на теле особого космоидного типа, развившаяся путем слияния мелких зубовидных чешуй; имеются спиральный клапан в кишечнике, артериальный конус в сердце и другие древние признаки.

Лопастеперые рыбы известны с середины раннего девона, т. е. примерно за 300–400 млн. лет до нашей ары. Уже в это время они начинают специализироваться в двух разных направлениях: в сторону развития хищников с сильными коническими зубами и в сторону формирования моллюскоедов с дробящими зубными пластинками. Первое направление представляет надотряд кистеперых рыб (Crossopterygii, или Crossopterygiomorpha), второе–надотряд двоякодышащих (Dipnoi, или Dipneustomorpha).

Кистеперые рыбы были распространены в пресных и морских водах всей планеты, от Шпицбергена и Новой Земли до Южной Африки, Австралии и Антарктики. У одной группы кистеперых, относимой к отряду рипидистиеобразных (Rhipidistiiformes), эволюция пошла в направлении приспособления к дыханию атмосферным воздухом (внутренние ноздри, легкие) и преобразования парных плавников в пятипалые конечности. Дав начало первым наземным позвоночным и просуществовав около 100 млн. лет, рипидистиеобразные кистеперые вымерли. Другая группа кистеперых, образовавшая отряд целакантообразных (Coelacanthiformes), сначала развивалась преимущественно в пресных водах, затем приспособилась к обитанию в море. От двух отрядов и 9 семейств кистеперых рыб сохранился один вид – латимерия, представитель семейства латимериевых отряда целакантообразных.

Двоякодышащие рыбы довольно быстро образовали специализированную ветвь лопастеперых. Подобно кистеперым, двоякодышащие были широко распространены от Гренландии и Европы до Африки, Южной Америки и Австралии. Они были представлены двумя отрядами – диптерообразных (Dipteriformes) и рогозубообразных (Ceratodiformes). Диптерообразные, представлявшие в свое время довольно многочисленную и разнообразную группу, просуществовали около 200 млн. лет и вымерли в конце палеозойской эры. В конце палеозоя появились рогозубообразные.

Современные двоякодышащие – остатки некогда многочисленной группы – представлены всего шестью видами рогозубообразных.