Jejich lebka – nebo spíše lebeční skelet – je chrupavčitá, v podobě tyčinkovitých útvarů podél nervové trubice a chordy (hřbetní struny). Tyčinkovité struktury jsou doplněny o pouzdra, ve kterých jsou ve směru od přední části hlavy uloženy čichové, zrakové a sluchové orgány. Na ně ještě navazují žaberní chrupavky.
K nejstarším dochovaným nálezům živočichů s lebkou patří zástupci rodu Metaspriggina z burgesských břidlic (období středního kambria, stáří zhruba 505 milionů let).

Postupným srůstáním jednotlivých pouzder vznikla nejdříve chrupavčitá lebka, kterou nacházíme u paryb a vymřelých rybovitých obratlovců ze skupin pancířnatých a trnoploutvých. Později se u ostatních čelistnatců vyvinula lebka kostěná.
Na stavbě lebky čelistnatých obratlovců se podílejí také dermální kosti (ploché kosti, jež se tvoří v hlubších vrstvách kůže, nikoliv z chrupavek) a kosterní aparát žaberních oblouků – z něj vznikají čelisti.
