Первые признаки вегетативной нервной системы намечаются у ланцетника, у которого из дорсальных корешков нервной трубки отходят нервы, идущие к диффузным сплетениям нейронов во внутренних органах. В последних еще нет специализированных ганглиев. Есть предположение, что это признаки парасимпатической системы.

У круглоротых имеются коллатеральные ганглии, которые собирают часть висцеральных волокон, расходящихся от ганглиев к внутренним органам. Однако симпатическая цепочка ганглиев еще отсутствует.

У позвоночных значительного развития достигает симпатический отдел нервной системы. Они состоит в основном из нервных узлов расположенных около позвоночного столба и связанных продольными тяжами нервных пучков.

Вегетативная нервная система хорошо развита у хрящевых рыб. Для нее характерно отсутствие коллатеральных ганглиев, расчлененность симпатической цепочки и несвязанность с ней черепных нервов. В ряде черепных и туловищных нервов симпатической системы переключение происходит в самом иннервируемом органе, как в парасимпатической системе. Большая часть симпатических нервов имеет короткие преганглионарные волокна, которые оканчиваются в симпатических узлах, лежащих вдоль спинного мозга, и длинные постганглионарные волокна, достигающие иннервируемых органов.

У костистых рыб симпатический нервный ствол непрерывен и связан с черепными нервами. Для большинства костистых рыб характерно появление коллатерального ганглия. В их голову начинают проникать туловищные волокна, которые иннервируют ротоглоточную полость и желудок. Из туловищного отдела спинного мозга выходят также нервы, иннервирующие внутренние органы. При этом они имеют короткие преганглионарные и длинные постганглионарные волокна. В каудальной части туловища часть преганглионарных волокон длинные, а постганглионарных короткие. Последние располагаются в стенке мочевого пузыря, что похоже на парасимпатическую систему млекопитающих.

Для амфибий и других тетрапод характерна парная симпатическая цепочка ганглиев, идущая вдоль спинного мозга, и многочисленные коллатеральные ганглии, расположенные между внутренними органами.

У рептилий и птиц, кроме паравертебрального симпатического ствола, выделяют непарные ганглии: верхний и нижний брыжеечные и чревный (брюшной). Их часто называют превертебральными. Большая часть симпатических ганглиев удалена от иннервируемых органов. Исключением являются ганглии, расположенные в непосредственной близости от половых органов. К этим узлам сигналы приходят по длинным преганглионарным волокнам, а передаются к половым органам – по коротким, что обычно бывает характерно для парасимпатического отдела нервной системы.

У млекопитающих парасимпатические ганглии расположены только в области головы и вблизи органов таза. Во всех остальных случаях парасимпатические нейроны лежат в толще и на поверхности легких, сердца и желудочно-кишечного тракта (интрамуральные ганглии).

Парасимпатическими нервами млекопитающих, обслуживающими глазные мышцы и железы, расположенные в области головы, являются глазодвигательный, лицевой и языкоглоточный нервы, выходящие из стволового отдела головного мозга. К органам брюшной и грудной полости парасимпатические нервы идут в составе блуждающего нерва. К органам таза парасимпатические нервы идут из крестцового отдела спинного мозга.

Афферентные нервные волокна входят в состав крупных периферических нервов. В спинной мозг они входят через спинальные ганглии, однако большая их часть попадает в ЦНС в составе блуждающего нерва.

Симпатические постганглионарные нейроны обладают широкой зоной иннервации. Эффект их действия выражается в торможении активности многих внутренних органов и стимуляции сердечной деятельности. Парасимпатическая система действует более локально и оказывает в основном регулирующее действие на функции органов – мишеней. У многих животных в одном и том же органе превалирует либо симпатическая, либо парасимпатическая система. Для низших позвоночных характерно управление многими органами с помощью только одной из систем.