1．脊索（notochord）：这是脊索动物身体背部起支持作用的一条棒状支柱，位于消化道的背面，神经管的腹面，具弹性，不分节。脊索是由内部富有液泡的细胞组成，外面围有厚的结缔组织鞘——脊索鞘。脊索之所以有一定的硬度，就是由于液泡的膨压所致。一切脊索动物都具有脊索，但是只有在一部分低等脊索动物中才终生保留（如文昌鱼），尾索动物的多数种类只在幼体时期有脊索，脊椎动物（圆口类除外）则只在胚胎时期有脊索，后来被脊椎骨所代替，脊索本身则完全退化或仅留残余。
　　2．背神经管（dorsal tubular nerve cord）：中枢神经系统位于脊索的背面，呈管状，其内部有管腔。中空的背神经管是一切脊索动物所特有的。在发生上，神经管是由胚胎背中部的外胚层下陷卷拢而形成。脊椎动物的神经管前部膨大形成脑，脑以后的神经管发育成为脊髓。神经管的内腔在成体中仍保存下来，在脑中成为脑室，在脊髓中成为中央管。
　　3．鳃裂（gill slits）：消化道的前段（咽部）两侧有一系列成对的裂缝，称为鳃裂，直接或间接与外界相通。水栖脊索动物的鳃裂终生存在，在鳃裂之间的咽壁上着生充满血管的鳃，作为呼吸器官；陆栖脊索动物仅在胚胎期和某些种类的幼体期（如蝌蚪）有鳃裂，成体时消失或变为其他结构。
　　以上是脊索动物的三大主要特征，此外还具有一些次要的特征：密闭式的循环系统（尾索动物例外），心脏如存在，总是位于消化道的腹面；大多数脊索动物血液具红细胞，其中的血红蛋白是高效能氧的运载者；尾部如存在，总是在肛门的后方，即所谓肛后尾（post anal tail）；骨骼如存在，则属于中胚层形成的内骨骼（endoskeleton）。至于后口（胚胎期原肠胚的原口一端成为胚胎的后端，与原口相反的一端另外形成口称为后口，deuterostome）、两侧对称、三胚层、真体腔和分节性等特征则是某些较高等的无脊椎动物也具有的。
进化意义
头索动物身体结构比较简单，但脊索动物的典型结构已经具有，三大结构终生存在。根据形态学推测，脊索动物由一种左右不对称，无围腮腔、腮裂少、营自由生活的原始无头类演化而来，且在进化当中分为两支，一支适应自由生活，演变为原始有头类，进而走向脊椎动物；另一支向底栖生活发展，演变为尾索动物和头索动物。