Die nächsten Verwandten der Metazoa innerhalb der Holozoa sind die Choanoflagellata (Kragengeißler) (siehe phylogenetischer Stammbaum in Abb. 1). Die Choanoflagellata sind heterotrophe, einzellige oder koloniale Flagellaten. Ihr deutscher Name deutet schon auf das Erkennungsmerkmal ihrer Zellen hin: den Kragen. Dabei handelt es sich um einen Ring aus Mikrovilli (fingerartige Zellauswüchse), der um eine zentrale Geißel herumsteht. Mit dieser Geißel können die Choanoflagellata einen Nahrungswasserstrom erzeugen, mit dem die Zellen Nahrungspartikel aus dem Wasser filtrieren können. Zellen mit einem nahezu identischen Aufbau, sog. Kragengeißelzellen oder Choanocyten, gibt es bei den ursprünglichsten Metazoa, den Schwämmen (Porifera). Die Schwämme sind echte Vielzeller, die neben den Kragengeißelzellen noch viele weitere Zelltypen besitzen und damit in ihrer Komplexität weit über die komplexesten Kolonien der Choanoflagellata hinausgehen. Trotzdem kann man davon ausgehen, dass Kolonien von Choanoflagellaten-ähnlichen Organismen als Ausgangspunkt der Evolution der Schwämme und der übrigen Metazoa angesehen werden können.

Abb. 1: Übersicht über die phylogenetischen Verwandtschaftsverhältnisse innerhalb der Opisthokonta. Die Holomycota beinhalten einen Großteil der traditionellen "Pilze". Davon haben die Schlauch- und Ständerpilze eine hochentwickelte Vielzelligkeit erreicht. Die vielzelligen Fäden (Hyphen) bilden Geflechte (Myzel) und gewebeartige Strukturen (Fruchtkörper). Die basalen Gruppen der Holozoa (Ichthyosporea, Pluriformea, Filasterea und Choanoflagellata) sind jedoch Einzeller oder bilden nur lockere Kolonien aus mehreren Zellen. Erst die Metazoa erreichen, ähnlich wie die Holomycota, eine hochentwickelte Vielzelligkeit. Die Zellen bilden hier u. a. metazoische Epithelien, in denen die Zellen bestimmte Aufgaben übernehmen und untereinander mit Kommunikationskontakten verbunden sind. Die Vielzelligkeit in komplex gebauten Holomycota und Holozoa wurde also unabhängig voneinander erreicht (konvergente Ausbildung der Vielzelligkeit).

Ein weiterer Stamm ursprünglicher Metazoa sind die Nesseltiere (Cnidaria). Bislang wurden etwa 15.000 Arten wissenschaftlich beschrieben, die im Meer und im Süßwasser vorkommen. Die Apomorphie der Nesseltiere sind die Nesselzellen (Cnidocyten), die Kapseln (Cnidocysten) enthalten, mit denen Nesselfäden und hochwirksame Gifte explosiv freigesetzt werden können, und die der Verteidigung und dem Beutefang dienen.
Neben den Porifera und Cnidaria gibt es drei weitere ursprüngliche Metazoa-Stämme, nämlich die Placozoa, die Ctenophora und die Monoblastozoa. Sie sind derzeit noch nicht ausreichend erforscht, weswegen ihre Stellung im Stammbaum noch unklar ist (incertae sedis). Die Scheibentiere (Placozoa) sind zwar schon seit dem 19. Jahrhundert bekannt, aber erst seit wenigen Jahren werden sie intensiver erforscht und es konnten auch einige neue Arten entdeckt werden. Die Rippenquallen (Ctenophora) wurden früher mit den Nesseltieren als "Hohltiere" ("Coelenterata") zusammengefasst, bis man die großen Unterschiede zwischen diesen beiden Gruppen besser erkannte. Die Ctenophora sind offenbar eine sehr alte Tiergruppe, deren Abstammungslinie sich schon sehr früh von den anderen Metazoa getrennt hat, denn sie besitzen eine ganze Reihe einzigartiger Merkmale, was sie zu echten "Rätseltieren" macht. Andererseits  wurde in den letzten Jahren vor allem durch entwicklungsgenetische Forschungen klar, dass sie neben den primären Keimblättern auch ein umfangreiches Mesoderm entwickeln, und zwar sowohl Ektomesoderm als auch Entomesoderm, und somit dieses charakteristische Merkmal der Metazoa in typischer Ausprägung zeigen. Die Monoblastozoa schließlich beinhalten nur eine einzige Art, Salinella salve, die im 19. Jahrhundert aus einem Salzwerk (Saline) in Südamerika beschrieben wurde, seither aber nicht wieder gefunden werden konnte, trotz mehrerer Nachsuchen in der Nähe des Originalfundorts.
Allen ursprünglichen Metazoa-Stämmen ist gemeinsam, dass sie noch keine Körpersymmetrie aufweisen, bei der man definierte linke und rechte Körperhälften festlegen könnte: es fehlt die sog. bilaterale Symmetrie des Körpers. Bei den Porifera sind die meisten Arten unsymmetrisch, und die meisten Cnidaria haben  runde  oder  zylindrische  Körper (Radiärsymmetrie),  bei denen es nicht möglich ist, eine linke oder rechte Körperhälfte zu definieren. Es gibt zwar bei manchen Korallenarten schon Anzeichen einer bilateralen Symmetrie, aber erst bei der Metazoa-Gruppe der Bilateria, zu der auch der Mensch gehört, hat sich die bilaterale Symmetrie (Bilateralsymmetrie) endgültig durchgesetzt. Man kann die Bilateralsymmetrie sehr leicht bei sich selbst feststellen: es gibt nur eine einzige Symmetrieachse, die den Körper in zwei (mehr oder weniger) gleiche Seiten/Hälften teilt; das ist eine echte Bilateralsymmetrie (lat. "bi-" = zwei, lat. "latus" = Körperseite).
Zu den Bilateria gehören alle übrigen Stämme der Metazoa. Bei den Bilateria sind nun alle Keimblätter und alle Gewebetypen unumstritten vorhanden, und sie besitzen zahlreiche, für bestimmte Aufgaben spezialisierte Organe bzw. Organsysteme. Die Bilateria werden meist in zwei große Äste gegliedert, die als Protostomia und Deuterostomia bezeichnet werden. Der Name der zwei Großgruppen verrät bereits, was für den entscheidenden Unterschied zwischen ihnen gehalten wird. Bei den Protostomia (griech. protos = "zuerst, ursprünglich", stoma = "Mund") entwickelt sich in der Embryonalentwicklung der Blastoporus (Urmund) zum Mund und der After muss deshalb als zusätzliche Öffnung neu gebildet werden. Die Protostomia werden im Deutschen deshalb auch als Urmundtiere bezeichnet. Bei den Deuterostomia ist es genau andersherum: der Blastoporus wird zum After, so dass der Mund als zusätzliche Öffnung neu gebildet werden muss; die Deuterostomia werden deshalb auch Neumundtiere genannt (griech. deuteros = "zweiter", stoma = "Mund"). Diese Vorstellung ist in Abb. 2 dargestellt und erklärt.

Abb. 2: Bisherige Vorstellungen zu den Entwicklungs-Unterschieden zwischen Protostomia und Deuterostomia. In der Gastrula (oben) gibt es nur eine einzige Öffnung, die in das Archenteron (grau) führt: den Blastoporus (Urmund, rot). In der weiteren Entwicklung bildet sich im Embryo dann die Bilateralsymmetrie aus (Mitte). Der Blastoporus kann im weiteren Verlauf der Embryonalentwicklung dann entweder nach vorne verlagert werden und zum Mund werden, wodurch dann hinten der After neu gebildet werden muss (unten links, Protostomia), oder der Blastoporus wird nach hinten verlagert, so dass sich vorne der Mund neu bilden muss (unten rechts, Deuterostomia). (Schemazeichnungen angelehnt an Genikhovich & Technau 2017).

Allerdings hat sich inzwischen herausgestellt, dass diese Vorstellung nicht widerspruchsfrei zutrifft. Zum einen besitzen z. B. die Plattwürmer nur eine einzige Öffnung ihres Verdauungssystems. Diese Öffnung ist also im Grunde noch der Urmund, so dass die Plattwürmer nach diesem Merkmal weder Proto- noch Deuterostomia sind. Alle Verwandtschaftsanalysen belegen aber zweifelsfrei, dass sie zu den Protostomia gehören. Zahlreiche neuere Studien haben außerdem gezeigt, dass viele Protostomia ihren Darmtrakt während der Embryonalentwicklung ganz anders entwickeln als nach der Vorstellung der "Protostomie" vorhergesagt; sehr viele bilden sowohl Mund als auch After aus dem Urmund (sog. Amphistomie) und einige Arten bilden Mund und After sogar genauso wie es typische Deuterstomia tun.
Es sind deshalb Zweifel an der phylogenetischen Aussagekraft dieses Merkmals aufgekommen: weder die protostome Entwicklung mit der Beibehaltung des Blastoporus als Mund, noch die deuterostome Entwicklung bei der der Blastoporus zum After wird und deshalb ein neuer Mund durchbrechen muss, scheinen monophyletische Gruppen zu definieren. Was ist dann der entscheidende Unterschied zwischen Proto- und Deuterostomia? Oder müssen wir die Aufteilung der Bilateria in Protostomia und Deuterostomia sogar aufgeben? Die Monophylie der Protostomia kann jedenfalls auch durch andere Merkmale sehr gut begründet werden, so dass an der Monophylie der Protostomia derzeit keine Zweifel bestehen. Lediglich der Name Protostomia ist dann nicht mehr passend, wird aber trotzdem beibehalten, weil der Name allgemein im Gebrauch und sehr bekannt ist und eine Umbenennung zu Verwirrung führen würde. 

Abb. 3: Vorsichtige Betrachtungsweise des phylogenetischen Stammbaums der Metazoa. Als gesichert kann gelten, dass die Choanoflagellata die nächsten Verwandten der Metazoa sind. Danach folgen fünf ursprüngliche Metazoa-Stämme (grün), deren genaue Verwandtschaftsverhältnisse bislang nicht endgültig geklärt werden konnten. Deshalb wird kein Verzweigungsmuster im Baum gezeigt, sondern alle Äste der fünf Stämme unaufgelöst dargestellt. Das gleiche Vorgehen wird für die Stämme der "Deuterostomia" gewählt: die Deuterostomia sind möglicherweise keine monophyletische Gruppe, ihr tatsächliches Verzweigungsmuster im Stammbaum ist noch unklar, also wird es hier unaufgelöst dargestellt. Enteropneusta und Pterobranchia werden üblicherweise als Hemichordata zusammengefasst.

Die Begründung der Monophylie der Deuterostomia kann sich jedoch kaum auf weitere Merkmale stützen. Es werden derzeit vor allem zwei Merkmale diskutiert, die Apomorphien der Deuterostomia darstellen könnten: (1) das mesodermale Endoskelett und (2) der Kiemendarm. Die Homologie beider Merkmale bleibt jedoch momentan unsicher.
Auch erste sehr genaue molekulare Analysen der phylogenetischen Verwandtschaftsbeziehungen innerhalb der Bilateria, deuten darauf hin, dass die Deuterostomia keine monophyletische Gruppe sind (Philippe et al. 2019, Kapli et al. 2021, Juravel et al. 2023). In Abb. 3 sind die Deuterostomia deshalb nicht als monophyletische Gruppe dargestellt; stattdessen sind die einzelnen Stämme separat aufgeführt und die Verwandtschaftverhältnisse unaufgelöst dargestellt.
"Deuterostomia", denen der typische Stützstab im Rücken (die Rückensaite oder Chorda dorsalis) fehlt, und die deshalb als ursprünglich angesehen werden, sind die Scheinplattwürmer (Xenacoelomorpha), die Eichelwürmer (Enteropneusta), die Flügelkiemer (Pterobranchia) und die Stachelhäuter (Echinodermata). Die artenreichste Gruppe der "Deuterostomia" sind die Rückensaitentiere (Chordata), zu denen auch der Mensch gehört.

Die monophyletische Gruppe der Protostomia, besteht ihrerseits aus zwei kleineren monophyletischen Gruppen: aus den Spiralia und den Ecdysozoa (Abb. 4). Zu jeder der beiden Untergruppen gehört eine Anzahl von Tierstämmen (Phyla). Die Spiralia bestehen aus 16 Tierstämmen mit zusammen über 200.000 beschriebenen Arten. Namensgebende Apomorphie der Spiralia ist eine besondere Form der Zellteilung während der frühen Embryonalentwicklung, die sog. Spiralfurchung. Während dieser frühen Furchungsteilungen wechselt die Stellung der Teilungsspindel bei jeder Teilung, so dass die Furchungszellen (Blastomeren) zum Beginn der Entwicklung spiralförmig angeordnet sind. Im weiteren Verlauf der Entwicklung entsteht eine bewimperte Schwimmlarve, die sich mittels Cilienbändern fortbewegen kann. Dieser Larventypus, die sog. Trochophoralarve, ist ebenfalls eine Apomorphie der Spiralia, ist aber bei vielen Arten, vor allem natürlich bei landlebenden Arten, vollständig zurückgebildet worden.

Abb. 4: Vereinfachte Übersicht über die phylogenetischen Verwandtschaftsbeziehungen innerhalb der Protostomia. Erneut werden in der Abbildung alle Äste unaufgelöst dargestellt, deren genaues Verzweigungsmuster nach den aktuell verfügbaren Analysen noch unklar ist. Zu den Spiralia zählen 16 Tierstämme, von denen die Gnathostomulida, Micrognathozoa, Syndermata und Chaetognatha als Gnathifera zusammengefasst werden können, die übrigen jedoch noch unaufgelöst sind. Die Ecdysozoa bestehen aus 8 Tierstämmen, von denen die Tardigrada, Onychophora und Arthropoda als Monophylum Panarthropoda zusammengefasst werden können.

Die Ecdysozoa sind die artenreichste Tiergruppe: die acht Tierstämme der Ecdysozoa zählen zusammen etwa 1,5 Millionen beschriebene Arten, stellen damit fast 90% aller rezent bekannten Tierarten und haben alle Lebensräume der Erde erobert. Der mit Abstand artenreichste Stamm innerhalb der Ecdysozoa sind die Arthropoda (Gliederfüßer, weit über 1 Million Arten). Neben den Arthropoda gehören noch die Nematoda (Fadenwürmer, über 15.000 Arten), Nematomorpha (Saitenwürmer, etwa 350 Arten), Priapulida (Priapswürmer, etwa 20 Arten), Loricifera (Korsetttierchen, etwa 50 Arten), Kinorhyncha (Hakenrüssler, etwa 200 Arten), Tardigrada (Bärtierchen, etwa 1.000 Arten) und Onychophora (Stummelfüßer, etwa 200 Arten) zu den Ecdysozoa.
Die Ecdysozoa zeigen ursprünglich einen segmentierten Körper, ein Merkmal, das die Ecdysozoa jedoch mit den Annelida und den Chordata gemeinsam haben und das somit eine Plesiomorphie darstellt. Nematoda, Nematomorpha, Priapulida und Loricifera haben einen vereinfachten Körperbauplan ohne deutliche Körpersegmentierung, was früher als ursprünglich interpretiert wurde, heute aber als sekundäre Vereinfachung des ursprünglich segmentierten Bauplans gilt. Dem ursprünglichen Ecdysozoa-Bauplan am nächsten kommen stattdessen sehr wahrscheinlich die Kinorhyncha. Sie zeigen eine deutliche Segmentierung, die sich äußerlich durch die segmentalen Cuticulaplatten des Exoskeletts zeigt und auch im Inneren durch segmentale Muskelstränge und eine Bauchganglienkette deutlich wird. Bei den Tardigrada kommen zu den segmentalen Cuticulaplatten, Muskeln und Ganglien dann noch segmentale Gliedmaßen (Laufbeine mit Krallen) hinzu. Einen ähnlichen Bauplan wie die Tardigrada zeigen die Onychophora, bei denen jedoch die Cuticulaplatten und die Segmentierung der Muskulatur offenbar verlorengegangen sind und wieder ein nahezu einheitlicher Hautmuskelschlauch vorliegt.
Die namensgebende Apomorphie der Ecdysozoa ist die Ecdysis, die im deutschen meist als "Häutung" bezeichnet wird ("Häutungstiere"), obwohl bei der Ecdysis ausschließlich das extrazelluläre Außenskelett (Exoskelett) ersetzt wird und die eigentliche Haut nicht erneuert wird. Das Exoskelett, die Cuticula, besteht aus Proteinen, die von den Epidermiszellen in diskreten Schichten ausgeschieden werden. Jede Schicht erhält durch Einlagerung zusätzlicher Komponenten in die Protein-Matrix ganz spezielle Eigenschaften (Abb. 5):

Abb. 5: Schematisierte und stark vereinfachte Übersicht des Schichtenaufbaus der Arthropoda-Cuticula. Die Cuticula ist ein vollständig extrazelluläres Exoskelett, das aus Proteinen gebildet wird, die von den Epidermiszellen (grau, Zellkern dunkelgrau) in diskreten Schichten ausgeschieden werden. Durch Modifikation der Protein-Matrix jeder Schicht, erhält jede Schicht spezielle Eigenschaften. Die Epicuticula (orange) ist sklerotisiert aber chitinfrei. Sie ist damit völlig starr und enzymatisch nicht abbaubar. Sie ist aber nur wenige Mikrometer dick und kann deshalb bei der Ecdysis mechanisch zerrissen werden. Die Exocuticula (dunkelblau) ist sklerotisiert, enthält zusätzlich Chitin (in Mikrofibrillen). Sie ist damit starr und enzymatisch weitgehend unangreifbar, aber auch sehr zug- und reißfest. Bei der Ecdysis kann sie weder abgebaut noch zerrissen werden. Stattdessen sind in der Exocuticula festgelegte Stellen vorhanden, an denen die Exocuticula nicht sklerotisiert ist und an denen sie deshalb abgebaut und aufgerissen werden kann; diese Stellen heißen Häutungsnähte und sind für die Ecdysis von entscheidender Bedeutung. Die Endocuticula (hellblau) enthält Chitin (in Mikrofibrillen) ist jedoch nicht sklerotisiert. Sie ist deshalb zwar zug-und reißfest, aber elastisch und kann bei der Ecdysis durch Enzyme, die von den Epidermiszellen produziert werden, problemlos abgebaut werden.

a) Sklerotisierung: die Proteine werden durch Chinone miteinander vernetzt. Die Proteine bilden dadurch ein kaum mehr bewegliches Netzwerk. Die betreffende Cuticulaschicht wird starr und auch für Enzyme weitgehend unangreifbar (kann also kaum enzymatisch abgebaut werden).
b) Bildung von Mikrofibrillen: die Proteine werden mit filamentösen Polymeren (meist Chitin) verbunden; dadurch entstehen zusammengesetzte fädige Strukturen (Mikrofibrillen) aus Proteinen und Chitin. Die entsprechende Cuticulaschicht erhält dadurch eine hohe Zug- und Druckfestigkeit, bleibt aber (je nach Richtung der Fibrillen) elastisch.
c) Härtung: in das Netzwerk aus Proteinen werden Kalk (z. B. beim Panzer vieler Krebstiere) oder Metalle (z. B. Kiefer mancher Insekten) eingelagert. Die entsprechende Cuticulaschicht erhält vorwiegend die Eigenschaften der zur Härtung eingelagerten Komponente. Durch Härtung kann z. B. eine Sklerotisierung weiter unterstützt werden (Bildung von Körperpanzerplatten).

Die sehr dünne Epicuticula umgibt hauptsächlich als Verdunstungsschutz den ganzen Körper und auch die elastische Endocuticula ist um den ganzen Körper herum ausgebildet. Die sklerotisierte Exocuticula ist jedoch nicht überall ausgebildet, sondern nur dort wo eine besondere Verfestigung der Cuticula nötig ist (z. B. als Panzerplatten zum Schutz, sogenannte Sklerite ist. Cuticulabereiche ohne Exocuticula sind elastisch und werden als Membranen bezeichnet (Abb. 6).
Bei den Ecdysozoa ist die  sekundäre Leibeshöhle (Cölom) nicht segmentiert. Bei vielen Ecdysozoa-Arten werden Cölombläschen zwar embryonal angelegt, lösen sich dann aber im weiteren Verlauf der Embryonalentwicklung auf, wodurch die primäre Leibeshöhle und die sekundären Leibeshöhlen zu einer einheitlichen Leibeshöhle, dem sogenannten Mixocöl, verschmelzen. Bei den Arthropoda sind diese Verhältnisse klar nachgewiesen. Bei den anderen Ecdysozoa-Stämmen ist die Entwicklung des Mesoderms und damit auch die Entwicklung und das Schicksal von sekundären Leibeshöhlen noch unzureichend untersucht und die Entwicklung des Mixocöls noch nicht zweifelsfrei nachgewiesen. In der Literatur wird deshalb oft unbestimmt von einem "Pseudocöl" gesprochen.
Durch die Verschmelzung von primären und sekundären Leibeshöhlen geht auch der Großteil der Cölomepithelien verloren, wodurch kein vollständig geschlossenes Kreislaufsystem gebildet werden kann; dorsal werden ein Dorsalgefäß ("Herz") und wenige Gefäße angelegt. Ecdysozoa haben deshalb ein überwiegend offenes Kreislaufsystem, in dem sich also eine Mischung aus Cölomflüssigkeit und Blut befindet, die als Hämolymphe bezeichnet wird. Die Hämolymphe vereint dann die Funktionen der beiden Körperflüssigkeiten:
a) Stofftransport (Nährstoffe, Metabolite, Abbauprodukte, Signalstoffe)
b) Immunabwehr
c) Wundverschluss
d) Hydraulik und Druck
e) Temperaturregelung (Wärmevermittler, Kühlflüssigkeit)
f) Atemgastransport

Abb. 6: Verteilung der prinzipiellen Cuticulaschichten am Beispiel der Arthropoda. Die Farben sind die gleichen wie in Abb. 5. Epicuticula und Endocuticula umgeben den gesamten Körper. An Körperstellen, an denen starker mechanischer Schutz nötig ist, wird zusätzlich Exocuticula ausgebildet. Es entstehen separate Panzerplatten (Sklerite) die dorsal als Tergite, ventral als Sternite und seitlich als Pleurite bezeichnet werden. Die elastische Cuticula ohne Exocuticula wird als Membran bezeichnet. Durch den Wechsel von Skleriten und Membran nach dem Prinzip der "Ritterrüstung" entsteht ein beweglicher Panzer. Membranöse Cuticulabereiche sind nicht nur für die allgemeine Beweglichkeit des Panzers nötig, sondern gestatten auch kurzfristige Volumenänderungen z. B. bei Atmungsbewegungen, Nahrungsaufnahme oder Fortpflanzung (z. B. Eireifung im Hinterleib)..