Uno dei problemi principali della filogenesi sta nel definire se gli artropodi costituiscono un gruppo polifiletico o monofiletico e, se monofiletici, in che rapporto stiano l'uno con l'altro i gruppi più importanti. La tendenza tradizionale è stata quella di considerarli come taxon monofiletico a livello di phylum.

Uno dei punti fondamentali in questione è se la serie combinata di sinapomorfie che definisce gli "Arthropoda" si sia evoluta solo una volta o più volte. Se la polifiletia è corretta, allora l'antropodizzazione si è verificata due, tre o forse anche quattro volte separatamente ma si può considerare la monofilia come l'ipotesi biologicamente più ragionevole in base alle conoscenze attuali.

La più grande difficoltà che si incontra quando si parla dell'evoluzione degli artropodi deriva dal fatto che la loro storia ha avuto inizio in epoca molto remota ed i fossili rinvenuti fino ad oggi sono riferibili ad una serie di classi molto più numerosa di quella che oggi riconosciamo e ci documentano che in età paleozoica la radiazione del gruppo era già molto evidente.

Si ritiene che gli artropodi siano un gruppo monofiletico, perchè è difficile pensare che il rivestimento cuticolare o la struttura dell'occhio composto, simili in tutti i rappresentanti, si siano formati indipendentemente per evoluzione parallela.

All'inizio del Cambriano era già fiorente una ricca fauna di artropodi, definita dei "Trilobitomorfi" per la loro somiglianza con i trilobiti. Da questo gruppo è verosimile pensare che si siano originati le Trilobiti ed i Merostomoidi, che popolavano i fondali marini. Mentre i Trilobiti si estinsero alla fine del Paleozoico, senza lasciare discendenti, dai Merostomoidi presero origine i Merostomi, di cui resta ancora oggi un fossile vivente in Limulus.

Dai Merostomi si distaccò precocemente la linea degli Euripteridi, giganteschi scorpioni marini o di acque salmastre che scomparsero alla fine del Paleozoico. Da questa linea, tuttavia, si originarono gli attuali scorpioni. Gli altri Aracnidi terrestri si originarono forse dai Merostomi acquatici durante il Cambriano, o più tardi, nel Devoniano, da forme merostomo-simili.

Non è facile invece, ricostruire l'evoluzione dei mandibolati: crostacei, Miriapodi ed Insetti. Nel Cambriano vi erano già crostacei riferibili ai Malacostraci ed ai Branchiopodi. Gli Ostracodi sono il gruppo meglio rappresentato nel basso Paleozoico. Nel Devoniano si svilupparono anche Concostraci ed Anostraci; nel Carbonifero i Notostraci; nel Terziario i Cladoceri. Il primo insetto (Rhyniella praecursor) compare nel devoniano antico, mentre il primo insetto alato ( Eopterum devonicum ) è del Carbonifero.