五脏不是一起进化成型的,都是各自分步进化的。心脏的进化使氧气和营养物质被有效地泵入身体组织,使需要大量能量的大脑得以发育。无脊椎动物只有一个简单的循环系统,而没有心脏,许多甚至没有血液,通过身体细胞直接吸收营养;更复杂一点的无脊椎动物使用一个开放的循环系统,有一些血管,通过肌肉收缩将血液送至整个身体组织,例如蚯蚓有小的肌肉区域,通过收缩并将血液泵送至整个蚯蚓体内,心脏泵的起源被认为是从腔肠动物的水母开始的。
肾脏首先是在淡水硬骨鱼中进化而来。肾脏的功能单位是肾元,过滤血液中的小分子和离子,回收有用营养物质,并通过尿液排出多余废物分子。由于淡水鱼的体液比周围的水具有更大的渗透浓度,这些动物由于渗透和扩散,面临着两个严重的问题——水不断从环境进入身体和溶质往往离开身体进入环境。淡水鱼解决第一个问题的方法是不喝水,水进入口腔,但通过鳃排出,并排泄大量稀尿;然后通过肾小管重新吸收溶质离子,从肾小球滤液回到血液;此外,它们还通过鳃将周围的水中的离子转移到血液中。
肝脏只存在于脊椎动物体内,它能解毒各种代谢产物,合成蛋白质,并产生消化所必需的生物化学物质,最早的无颌类脊椎动物七鳃鳗就已经拥有了肝脏。
跟肝脏一样,脾脏也存在于所有脊椎动物中,盲鳗无脾脏,七鳃鳗体内发现有相对原始的脾脏,软骨鱼类和硬骨鱼类都具有独立的脾脏。
五脏中肺是最晚进化出来的,现有的证据表明,叶鳍鱼和肋鳍鱼的共同祖先有鳃,也拥有了肺。在叶鳍鱼中,肺被滞留,四足动物、腔棘鱼和肺鱼都继承了它们,并开始利用肺来获取氧气,腔棘鱼和肺鱼同时也保留了鳃;另一方面,现代四足动物的鳃在早期进化的过程中消失了。