Los cefalópodos son moluscos. Así pues, son parientes (aunque no lo parezca) de las almejas, las vieiras, los berberechos y los caracoles. Hace aproximadamente 490 millones de años todos tenían concha externa, por lo que el parentesco era mucho más evidente. Pero en la actualidad sólo la conservan los nautilus y los argonautas (por eso solemos decir de ellos que son unos auténticos fósiles vivientes). Las espírulas, un grupo de cefalópodos muy abundantes pero difíciles de ver, también tienen concha dura con forma espiral, pero la esconden en el interior del manto. El resto de cefalópodos, o no poseen concha, como es el caso de los pulpos; o tienen estructuras rígidas internas con forma de pluma que sirven de soporte a la musculatura y las vísceras, como es el caso de las sepias y los calamares.

Los científicos creen que el diminuto Plectronoceras cambria, cuya concha medía tan solo 6 mm de longitud, fue el primer cefalópodo. Sus restos fósiles aparecieron embutidos en rocas del período Cámbrico de 490 millones de años de antigüedad, por lo que también ostenta el récord de ser uno de los fósiles más antiguos. Después de él, los cefalópodos se diversificaron en miles de especies y fantásticas formas. El Endoceras, por ejemplo, era un fabuloso depredador con una concha cónica de más de 5 metros de longitud.

Tanto el Plectronoceras como el Endoceras se clasifican en la subclase de los Nautiloideos, la misma a la pertenecen los Nautilus actuales. Los Ammonites, que reinaron en los mares de hace 200 millones de años; y los Belemnites, de los que proceden las sepias, calamares y pulpos actuales, son otros grupos importantes de cefalópodos fósiles.

El registro fósil indica que hubo al menos 10.000 especies de cefalópodos. Teniendo en cuenta que sólo una pequeña proporción de especies se fosiliza y que una cantidad aún menor llega a ser encontrada y estudiada por los científicos, debemos suponer que la biodiversidad que alcanzaron los cefalópodos fue, al menos, diez veces mayor. La gran cantidad de especies extintas contrasta con el número de especies vivientes: sólo se han descrito 650, aunque se calcula que existen cerca de 1.000. Y un detalle muy importante: todos los cefalópodos conocidos, tanto actuales como fósiles, son marinos.

Para comprender las complejas relaciones que existen entre los seres vivos, los científicos recurren a clasificarlos en distintos grupos de parentesco, Así sucede con los cefalópodos, que el año 1784 fueron incluidos por Schneider en la Clase Cephalopoda, y que durante los siglos XIX y XX se repartieron en seis subclases diferentes. De estos seis grandes grupos de cefalópodos, sólo dos tienen representantes vivientes: la subclase Nautiloidea, que incluye a los Nautilus (Orden Nautilida); y la subclase Coleoidea, en la que están clasificados las sepias (Orden Sepioidea), los calamares (Orden Teuthoidea), los pulpos (Orden Octópoda) y los calamares vampiro (Orden Vampyromorpha).Todos estos extraños nombre latinos pueden resultar algo confusos, pero merece la pena darlos a conocer porque responden a una idea brillante: la de intentar que exista un cierto grado de entendimiento universal entre los científicos.

Los Nautiloideos tienen una concha externa con varias cámaras llenas de gas, un escudo carnoso que utilizan para cerrar la abertura de la concha, ojos simples que carecen de lentes y varias decenas de brazos repartidos en dos anillos que rodean la boca. Además, su sifón, el órgano que utilizan para desplazarse propulsando agua, no está completamente cerrado por la parte inferior.

Los Coloideos tienen de 8 a 10 miembros, ojos complejos provistos de lentes y un sifón fusionado en forma de tubo. Algunos poseen una concha interna de tamaño reducido y otros, como la mayor parte de los pulpos, la han perdido por completo. Son los cefalópodos mejor conocidos y viven en todos los océanos del planeta, desde el Ártico al Antártico. En su cuerpo se distinguen claramente dos partes: la anterior, que consta de la cabeza, los brazos y el sifón; y la posterior o manto, que tiene forma de saco y que aloja las vísceras y las branquias.

Existe un grupo extraordinario de cefalópodos de alta mar que a menudo se confunde con los Nautiloideos pero que en realidad son Octópodos. Se trata de los Argonautas, a los que también se conoce como pulpos de papel. Las hembras de los Argonautas construyen una delicada concha translúcida que utilizan para protegerse y poner los huevos. Comienzan a construirla cuando todavía son crías y la mantienen cubierta con una membrana hasta que alcanza la dureza suficiente. La pueden abandonar ocasionalmente, pero si luego no la recuperan, no son capaces de construir una nueva y se mueren. La concha está hecha de carbonato cálcico y las glándulas que segregan el material de construcción están situadas en la punta del primer tentáculo de cada lado del cuerpo.