Sono quegli animali privi di vertebre, cioè della colonna vertebrale, struttura di sostegno tipica dei vertebrati, e inoltre dello scheletro sia del capo che degli arti.
Una distinzione tra invertebrati e vertebrati venne formulata da Aristotele in modo implicito: egli divideva gli animali in due classi, «animali con sangue» e «animali senza sangue». Fra i primi erano inclusi i quadrupedi vivipari, gli uccelli, i quadrupedi ovipari e i pesci, mentre tra i secondi si ritrovavano i molluschi, i malacostraci, gli entoma, in cui Aristotele classificava insetti e anellidi, e ostracodermi. Questa distinzione oggi non ha ragione di essere, perché non è vero che gli invertebrati siano senza sangue: molti di loro infatti possiedono una circolazione di sangue, anche se per la maggior parte di essi è incolore. Nel XIX secolo venne formulata la distinzione, ancora oggi in uso, grazie agli studi di Lamarck e Cuvier . I primi invertebrati, partendo dal gradino più basso della scala evolutiva. sono gli organismi unicellulari, i cosiddetti protozoi: i più semplici sono le schizofite, di cui fanno parte i batteri e le cianoficee o alghe azzurre, i flagellati, composti da individui autotrofi ed eterotrofi e i ciliati. Per superare lo stato unicellulare, alcuni organismi si riuniscono in colonie di cellule, come i poriferi che non hanno una vera struttura istologica ma sono costituiti da cellule differenziate e specializzate nelle diverse funzioni. Seguono, nella scala evolutiva, i celenterati, animali a simmetria raggiata che mostrano un discreto piano di organizzazione: per esempio la parete del corpo è costituita da due strati di cellule, ectoderma ed endoderma, che formano un resistente tessuto di tipo epiteliale, e nell’ectoderma si trovano cellule sensoriali e nervose oltre agli cnidoblasti, cellule altamente specializzate che servono per la cattura delle prede e per difesa. Il gruppo di animali che segue ha simmetria bilaterale: sono i platelminti e i nematelminti, vermi piatti. I primi presentano un rudimentale sistema nervoso formato da gangli, un apparato digerente con un intestino a fondo cieco, un sistema escretore che funziona per regolazione osmotica e organi per la riproduzione di ambedue i sessi in quanto sono ermafroditi: i secondi differiscono dai primi per il fatto che l’intestino si apre all’esterno con l’ano e che i sessi sono separati. Entrambi sono parassiti dell’uomo e degli animali. Una particolarità del gruppo che viene dopo i vermi piatti è che il loro corpo, cilindrico, è diviso in metameri esternamente, corrispondenti a una metameria anche interna: questi animali sono gli anellidi, comprendenti forme marine e terrestri, come i lombrichi, e forme parassite come le sanguisughe . I metameri sono segmenti aventi tutti la stessa organizzazione determinando così una successione regolare di organi interni ed esterni, a eccezione del segmento cefalico: compare negli anellidi, per la prima volta, una sorta di apparato circolatorio composto da vasi dorsali e ventrali collegati fra loro e da zone contrattili con funzione di cuore, e un sistema muscolare per la locomozione. Abbastanza simili nella loro organizzazione agli anellidi, sono i crostacei, nei quali però i segmenti esterni non corrispondono a quelli interni: essi sono divisi in tre parti, testa, torace e addome e ogni segmento del torace porta delle appendici articolate. Inoltre l’apparato digerente è maggiormente differenziato, come il ganglio cerebrale superiore (cervello).
Caratteristiche simili presentano gli aracnidi, che in più hanno organi specifici, come le ghiandole serigene degli araneidi che tessono la tela. Seguono gli insetti, caratterizzati dalla stessa metameria eteronoma dei crostacei; è da sottolineare la presenza dei muscoli per il volo, un perfezionamento degli organi di senso e un apparato respiratorio tracheale.
Continuando nella scala evolutiva si trovano i molluschi, in cui scompare la simmetria bilaterale e la segmentazione e che sono sprovvisti di appendici: la caratteristica conchiglia è secreta dal mantello, una sottile tonaca, e può essere esterna o interna o anche doppia. La circolazione è aperta e il sangue contiene un pigmento respiratorio, I’emocianina, che diventa azzurra quando è ossidata. L’ultimo gruppo è quello degli echinodermi, animali a simmetria pentaradiale: sono provvisti di uno scheletro calcareo e sono privi di apparato circolatorio, sostituito da un apparato emale in cui si trova un liquido che ha una funzione simile al sangue. Sia gli organi digerenti che il sistema nervoso hanno disposizione raggiata: unico nel regno animale è il sistema ambulacrale, costituito da organi locomotori e tattili.