По многим признакам строения членистоногие близки к кольчатым червям, особенно к полихетам. Членистоногие - это двустороннесимметричные сегментированные животные. Центральная нервная система у более примитивных членистоногих очень сходна с лестничной нервной системой полихет.
Специфические признаки членистоногих связаны с тем, что у них тело покрыто очень плотной и прочной кутикулой, которая нередко образует очень твердый панцирь из хитина. Хитин - это сложный полисахарид, он эластичен, прочен и устойчив к химическим воздействиям.
В теле членистоногих обычно можно различить 3 отдела - голову, на которой находятся основные органы чувств, служащие для ориентировки в пространстве (глаза, усики и др.) , и органы захватывания пищи. Сегменты головы у членистоногих слитные. Далее следует грудь - тот отдел тела, на котором располагаются основные двигательные придатки - ноги, а у насекомых и крылья. Задний отдел тела называется брюшком. У некоторых членистоногих все туловищные сегменты более или менее однородны, и тогда в теле животного различают только 2 отдела - голову и туловище.
Традиционно кольчатых червей сближают с членистоногими. Общими для них особенностями можно считать наличие постларвальной сегментации тела, связанное с этим особенное строение нервной системы (брюшная нервная цепочка) . Из всех кольчатых червей ближе всего к членистоногим многощетинковые, что, возможно, свидетельствует о том, что кольчатые черви — парафилетическая группа. Как и у членистоногих, у них развиты боковые придатки тела, параподии, которые считаются предшественниками ног членистоногих, а в циркуляции крови главную роль играет мускульная обкладка спинного сосуда. Наличие кутикулы нельзя считать чертой, уникально присущей кольчатым червям и членистоногим, поскольку кутикулярные эпителии довольно широко распространены в разных группах беспозвоночных. Более того, кутикула аннелид по большей части не содержит хитина, характерного для членистоногих. У аннелид, как и у некоторых других групп червей, хитинсодержащая кутикула имеется только на небольших участках тела: на «челюстях» в глотке и на щетинках.
Вместе с тем, по ряду особенностей эмбрионального развития кольчатые черви близки к прочим трохофорным животным, например, моллюскам и сипункулидам.
Вместе с тем, ряд исследователей полагает, что сходство с членистоногими по таким признакам, как сегментация, строение нервной системы, кутикула, есть результат конвергентной (параллельной) эволюции.