Вважається, що оніхофори близькі до членистоногих. Будова їхнього мозку схожа на будову мозку павуків, що, можливо, вказує на їх близькість оніхофор з павуками, хоча цьому протиречать дані молекулярного аналізу. Викопні морські оніхофори відомі з нижнього кембрію — Aysheaia, Hallucigenia — та з пізнього докембрію — Xenusion. Відомо небагато викопних наземних видів: Helenodora inopinata — вид з Іллінойсу (США), Cretoperipatus burmiticus з М'янми, ще декілька третинних видів знайдено в карибському бурштині.
Подібність оніхофор та гусениць не є простим збігом. Як і в більшості тварин, вважається, що личинки метеликів виявляють, хоча і не повною мірою, попередні еволюційні стадії. Вважається, що комахи пішли від сегментованих червів, схожих гусениць та оніхофор. Взагалі, будова личинкових стадій комах часто використовується для реконструкції можливого предка комах.
Тіло неясно поділяється на голову з вусиками і дуже довгий гомономний тулуб без границь між сегментами, але з парними кінцівками примітивної будови. Зовнішній хітиновий скелет відсутній, є шкірно-м'язовий мішок, який складається з гладеньких м'язів. Порожнина тіла змішана – міксоцель. Незамкнена кровоносна система представлена лежачим на спинній стороні тіла серцем з метамерними остіями. Органи виділення представлені майже у всіх сегментах метамерними целомодуктами. Дихання проходить за допомогою повітроносних трубочок – трахей. До типу Onychophora належить один клас – Первиннотрахейні (Protracheata).
Оніхофори без сумніву беруть початок від якихось сегментованих тварин, але вони втратили явну сегментацію, і лише голова ясно розділена на три сегменти. На першому сегменті голови знаходиться пара вусиків та зазвичай пара очей. Другий сегмент несе рот. На відміну від членистоногих оніхофори не мають твердого зовнішнього скелету. Їхня кутикула вкрита густими волосками (папіллами), що надає їм вигляду вельвету. Час від часу оніхофори линяють, що дозволяє їм збільшувати розміри тіла. Хоча на тілі оніхофор є декілька десятків ніг, їх не можна назвати по-справжньому сегментованими тваринами, як, наприклад, кільчастих червів. Справжній целом, такий як у членистоногих, знаходиться майже повністю в гонадних порожнинах. Гемоцель подібний до гемоцелю членистоногих, розділений на синуси, включаючи дорсальний перикардиальний синус. Вся структура підтримується кров'ю, яка нагнітається серцем. Ніжки закінчуються хітиновими кігтями та ходульними подушечками, за допомогою яких ці тварини пересуваються по рівній поверхні. Оніхофори дихають за допомогою трахей, які знаходяться на тілі і завжди відкриті. Через це всі відомі види населяють вологі місця, щоб запобігти висиханню.
Сучасні оніхофори — хижаки, здатні знерухомлювати тварин, що в декілька разів більші за них, за допомогою клейкої речовини, що продукується залозами, які знаходяться в голові. Здатні знерухомлювати здобич на відстані до 30 см. Кількість клейкої речовини може сягати 10 % маси тіла.
В оніхофор доволі незвичний спосіб передачі сперматозоїдів. Самець прикріплює пакет зі сперматозоїдами (сперматофор) до самки, причому в самиці немає якогось спеціального місця для прикріплення. Тканина, яка розташована під сперматофором розчиняється, сперматофор теж розчиняється, і сперматозоїди через гемоцель досягають яєчників.
