L'anatomie et la physiologie comparée permettent, en s'appuyant sur les données phylogénétiques, de reconstituer l'histoire évolutive du poumon des Vertébrés. Un appareil respiratoire aérien (ARA) ventral est apparu chez les Poissons il y a environ 400 M d'années, en complément d'un respiration branchiale. Il s'agit d'un poumon sacculaire ventilé par une pompe buccale, dont les premiers Tétrapodes terrestres ont hérité. Ce système est globalement conservé dans la lignée des Amphibiens actuels. Dans la lignée des Amniotes, la pompe buccale refoulante est remplacée par une pompe costale aspirante. Chez les Mammifères, cet ARA évolue vers un poumon bronchoalvéolaire. Chez les Reptiles, l'ARA est un poumon cloisonné, formé d'une ou plusieurs cavités. C'est une zone d'échanges respiratoires mais également de réserve d'O₂ permettant de longues périodes d'apnée. Chez les Oiseaux, l'appareil respiratoire a une structure tubulaire ventilée par un flux d'air unidirectionnel, permettant un taux de consommation d'O₂ élevé. La diversité de forme et de fonctionnement du poumon des Vertébrés n'est pas une succession de degrés dans une série linéaire de complexité croissante aboutissant aux poumons des Mammifères, mais le reflet de la diversité des réponses possibles, compte tenu des conditions environnementales et des contraintes phylogénétiques, au problème de l'apport en oxygène nécessaire au métabolisme aérobie.