鹦鹉螺已经在地球上经历了数亿年的演变，其直系祖先于奥陶纪就是当时海洋中的顶级掠食者，现代定义上的鹦鹉螺从三叠纪晚期开始出现地球上，尽管如此鹦鹉螺能靠着平均80年之久的长寿、和少而精的繁殖策略挺过了地球上所有的大灭绝事件，现在，它们的外形、习性等变化依然和远古祖先相差无几，鹦鹉螺在地球上被称为“活化石”，其存活时间甚至比大多数已灭绝的古生物（例如恐龙等）还要长久的多，因此鹦鹉螺在研究生物进化和古生物学等方面有很高的价值。[16]
化石记录表明，在过去的5亿年中，鹦鹉螺的进化并不多。 许多最初是直壳的，如已灭绝的Lituites属。它们发育于晚寒武纪，在奥陶纪成为重要的海洋捕食者群体。 某些物种的大小超过2.5米 (8英尺)。 另一个头足类亚纲Coleoidea很久以前就从鹦鹉螺中分化出来，而鹦鹉螺自那以后一直保持相对不变。2亿年前，鹦鹉螺的种类更加广泛和多样 鹦鹉螺的已灭绝亲属包括菊石，例如杆石和角石。[16]
鹦鹉螺科(Nautilidae)起源于尖角石亚目 (Centroceratina)，特别是晚三叠世的管角石科(Syringonautilidae)，并且一直延续到今天与鹦鹉螺属(Nautilus)、模式属及其近亲异鹦鹉螺属(Allonautilus)。[16]
鹦鹉螺具卷曲的珍珠似外壳，壳光滑，卷曲，贝壳最大可为26.8厘米，但成年鹦鹉螺一般都不超过20厘米。大脐鹦鹉螺（Nautilus macromphalus）是鹦鹉螺家族中体形最小的属种，一般只有16厘米。外壳由许多腔室组成，内约分36室，最末一室为躯体所居，即被称为“住室”的最大壳室中。其他各层由于充满气体均称为 “气室”。外套位于外壳内。各腔室之间有隔膜隔开，室管穿过隔膜将各腔室连在一起，气体和水流通过室管向壳外，生物体由此控制浮力。鳃2对；具63-94只腕，但无吸盘，雌性较雄性多。眼简单，无晶状体；无墨囊，漏斗两叶状，具运动功能。[3]