最早在海洋里出现的动物是无脊椎动物。1.3亿～5亿年前，地球上浅海广布，水生动物大发展，成为无脊椎动物的全盛时期。这些水生动物的最大特点，是细胞有了分工从而形成了各种器官。这时的海洋世界热闹非凡。它们最初生活在海洋里，以后又向陆地上的江河湖泊和沼泽过渡，最终发育出气管、肺、翅膀等适应陆上呼吸和飞行的器官，终于登陆上岸繁衍生息，这就为后来陆生脊椎动物的出现开辟了道路。
首先，海绵是最简单的无脊椎动物，由一群无差别的细胞组成。海绵的体壁有内、外两层，海水从它们的身体里通过时，其中的微生物和氧气就被吸收了。大多数海绵具有骨架，有些海绵的骨架由硅构成，且比光缆构造更加完美，可以说是大自然首先“发明”了光缆。
其次，蠕虫也是一大类十分低等的海洋无脊椎动物。它们的身体长而柔软，全身上下没有骨骼。在海洋生物的演化过程中，蠕虫是比较原始的种类。不过它们比更原始的多细胞动物已经有了划时代的进步。那就是，蠕虫的身体已经有了前端和后部的区分。从海洋到陆地，从咸水到淡水到处都有蠕虫的分布。它们的数量不但多，而且还会发光。当年哥伦布第一次接近北美海岸的时候，曾经记录下“海中游动的烛光”。其实，哥伦布看到的是多毛类蠕虫的交配仪式。这种小型蠕虫每年盛夏之夜月圆的时候，会连续几夜游到海面上，像参加集体婚礼一样，举行繁殖的典礼。
三叶虫也是具有代表性的一种无脊椎动物。它是一种已经灭绝了的节肢动物，全身分为头、胸、尾三部分，背甲坚硬，被两条纵向深沟割裂成大致相等的3片，所以叫作三叶虫。它们生活在远古海洋中，主要出现在寒武纪，延续到二叠纪末期时灭绝。三叶虫既会游泳，又善于爬行，所以从海底到海面，都在它的势力范围之内。
三叶虫复原图
最后，值得一提的是菊石。它是一种已经灭绝了的软体动物，它们最早出现在古生代泥盆纪初期，繁盛于中生代，广泛分布于世界各地的三叠纪海洋中。
菊石是由鹦鹉螺（现在仍然存活在深海中）演化而来的，与鹦鹉螺的形状相似，体外有一个硬壳，主要成分为碳酸钙，大小差别很大，壳为几厘米或者十几厘米，最小的仅有1厘米，最大的比农村的大磨盘还要大。壳的形状也是多种多样，有三角形的、锥形的和旋转形的，等等。旋转形的壳在菊石中占绝大多数。