头足纲动物最早出现在寒武纪晚期（距今5.23亿～5.05亿年前）。当时，最繁盛的头足纲成员当属鹦鹉螺类，它们是一类体型巨大的食肉性动物。
距今4.5亿～3亿年前的古生代，鹦鹉螺类分化为箭石类等种类。如今，鹦鹉螺类又分化成了新头足类等种类。古代的头足纲动物都有贝壳，且为圆锥形，但是，在经过数亿年的进化之后，虽然很多种类依然有贝壳，但是它们的贝壳变成了螺旋形，而一些无法适应新环境的种类在白垩纪（距今1.45亿～0.65亿年前）就在地球上消失了。如今，头足纲动物已经成为世界上最聪明的软体动物，甚至是世界上最聪明的无脊椎动物，因为它们拥有极其发达的知觉和大脑，大脑比其他纲的软体动物的大脑要大一些。它们的头部非常发达，在头上不但长着两只发达的眼睛，而且还长着很多足，正是因为如此，它们才被称为头足类。不过，它们的足在经过特殊的分化进化之后已经变成了腕。
头足纲的一般行动方式是利用喷射动力，充满氧气的水被吸入外套膜中的鳃之后，肌肉收缩使空间减少，使得水从漏斗喷出，通常是背对着水喷出，并且能够用漏斗控制方向。这是一种相对用尾巴推进更为耗能的移动方式，相对效率随着体型增大而降低，这也使一些种类尽可能使用鳍和臂来推进。
头足纲动物都是肉食性动物，比如鹦鹉螺及具腕间膜的蛸类等较深海底的底栖动物以微小的动物为食；乌贼、章鱼类浅海底栖生活的头足纲软体动物则以水底生活的鱼、蟹、多毛类等为食。
头足纲动物在古代非常繁盛，发现的化石就达到1万多种，而如今，现存的种类仅有786种。加上已经灭绝的种类，头足纲可以分为4个亚纲：菊石亚纲、蛸亚纲、鹦鹉螺亚纲、新蛸亚纲，而现存的只有鹦鹉螺亚纲和蛸亚纲两个亚纲。
菊石亚纲动物因为身上长有类似菊花的线纹而得名。它们最早出现在中奥陶世，是由鹦鹉螺进化而来，随后而又灭绝于晚白垩世。它们的外壳比较光滑，并有三角形、圆球形、环形等形状。此亚纲最具代表的动物就是菊石，它生活在海洋的上层，死后会沉入海底。
蛸亚纲动物出现在3.3亿年前的始石炭纪（又叫密西西比纪），也有生物学家发现了泥盆纪（距今4亿～3.6亿年前）时期的化石，不过，有些生物学家并不认为它们属于蛸亚纲的成员。到了晚石炭世（距今3.2亿～2.8亿年前），蛸亚纲的动物种类变得极为繁盛。随后，它们便在地球上消失了。蛸亚纲最具代表性的就是已经灭绝的圆柱箭石。
新蛸亚纲动物的祖先是蛸亚纲动物。新蛸亚纲最具代表性的动物是乌贼、鱿鱼以及吸血鬼乌贼等。
鹦鹉螺亚纲动物最早出现在5亿多年前，而发现的最大的鹦鹉螺化石是在奥陶纪（距今5亿～4.4亿年前）的地层中发现的，长达十多米。现存的鹦鹉螺类大多为平旋壳，少数为环形壳或弓形壳。贝壳的表面非常光滑，且呈灰白色。鹦鹉螺亚纲最具代表性的动物是鹦鹉螺。