У ранних двоякодышащих гистология отдельных зубчиков не отличается от известной для других древних костных рыб. У более поздних родов поверхность устойчивее к истиранию в связи с появлением тубулярного дентина и его гиперминерализацией. Другая специализированная, высокоминерализованная ткань, называемая петродентином, свойственна более прогрессивному среди современных двоякодышащих семейству Lepidosirenidae. Зоны петродентина разделены менее плотными и устойчивыми участками трабекулярного дентина. Такое строение приводит к формированию острого режущего гребня на границе двух тканей.
Как и у некоторых современных представителей наиболее примитивных групп лучеперых, у ныне живущих двоякодышащих сильно редуцировано окостенение внутреннего скелета. После девона мозговая коробка и тела позвонков становятся в основном хрящевыми. Уменьшаются число и размеры покровных костей черепа, космин на них пропадает, и они погружаются под кожу (см. рис. 8-17, Б). Чешуи становятся циклоидными, утрачивают кос- мин и у современных видов в значительной степени перекрывают друг друга. У примитивных форм плавники покрыты костными лепидотрихиями. Позже они утрачиваются и плавниковые лопасти современных родов поддерживаются роговыми камптотрихиями, эквивалентными цератотрихиям акул. Непарные плавники также постепенно преобразуются. Оба спинных сдвигаются назад и сливаются с хвостовым, который становится симметричным, сужается к концу, а вентрально сливается с анальным. Эти тенденции сильно выражены у позднедевонского рода Phaneropleuron- только анальный плавник остается у него свободным.
По-видимому, двоякодышащие прошли через несколько последовательных эпизодов адаптивной радиации. При попытках установить точные родственные связи многих семейств все еще возникают разногласия. Проблемы систематики двоякодышащих недавно обсуждались Томсоном и Камбеллом (Thomson, Campbell, 1971) и Майлзом (Miles, 1977).
В начале девона обособляется несколько филогенетических ветвей, различающихся строением неба и его зубной системы.