最早的兩棲類動物出現在距今3.55億年前的泥盆紀晚期。它們剛剛從總鰭魚類分化出來,在形態構造上跟總鰭魚類十分相似。進入石炭紀,地球的氣候更加濕潤,遍地沼澤、湖泊。石松類、楔葉類、真蕨等植物生長繁榮。這樣的自然環境很適宜兩棲類動物繁衍。從石炭紀至二疊紀合起來,被稱為“兩棲類動物時代”。
早期兩棲類動物遇到的第一個重大問題是呼吸。它們雖然有肺,但還不能用胸部的肌肉帶動肺部擴張和收縮。只好靠嘴把空氣壓進肺。這跟它們的總鰭魚類祖先用嘴將水壓過鰓是一樣的。
它們遇到的第二個問題,是如何保持水分不被蒸發。這就迫使它們不能離水太遠。因為它們的皮膚太薄,為保持濕潤還必須要經常回到溪流或湖泊中。有證據表明某些早期兩棲類動物還保留著祖先那樣的鱗片。隨著進化問題有所解決,有些兩棲類動物長出了有鱗片保護的厚皮膚。但總體來講,它們并不成功。另外,兩棲類動物始終沒有解決繁衍后代的問題,在進化過程中,它們一直得到水中產卵———卵在陸地上不能發育。它們的幼蟲必須在水中生活很長時間,用羽狀鰓呼吸。其中很多會被其他動物吃掉———成年的也難逃此厄運。
由于始終沒能擺脫對水的依靠,兩棲類動物不能算是成功的動物。