Hlavonožci jsou jednou ze tří tříd kmene měkkýšů (další dvě jsou plži a mlži) a jejich fosilní nálezy známe už ze starších prvohor. Jako všichni měkkýši byli hlavonožci původně vybaveni schránkou. Tyto schránky jsou běžné ve všech mořských prvohorních usazeninách na našem území, zvláště pak ve vápencích v oblasti mezi Prahou a Berounem. Přestože během vývoje této skupiny byl patrný výrazný trend tvorby stále komplikovanějších schránek (druhohorní amoniti), nakonec převládl úplný opak. Přežívaly skupiny, jejichž schránka se postupně redukovala a přesunula se dovnitř těla zvířete. Naprostá většina současných druhů viditelnou schránku nemá. Nejznámější výjimkou je loděnka (rod Nautilus), kterou si můžete představit jako chobotnici bydlící v ulitě hlemýždě. Schránka loděnky je ale komplikovanější a má složitou vnitřní strukturu. U ostatních hlavonožců převládají dva konstrukční modely:
Chobotnice mají 8 ramen a vakovité tělo, schránka byla zcela redukována a živočichové této skupiny jsou přizpůsobeni pomalému a skrytému životu v blízkosti dna. Dovedou sice plavat volně ve sloupci, ale dělají to jen zřídka.

Desetiramenní hlavonožci mají kromě 8 ramen ještě 2 dlouhá chapadla, která jsou tenká a na konci se rozšiřují v ploché kyjovité útvary. Sem patří sépie, olihně a krakatice. Pro poslední dvě skupiny se někdy používá i z angličtiny přejaté označení kalmar. Zatímco sépie plavou hlavně vlněním svého ploutevního lemu, olihně a krakatice využívají dynamičtější způsob pohybu založený na nasávání a vytlačování vody z plášťové dutiny. Tento způsob reaktivního pohybu z nich dělá velmi pohyblivé živočichy a některým malým druhům dovoluje nabrat rychlost, která jim umožňuje krátké lety nad vodní hladinou. Schránka sépie se zredukovala na vápnitý útvar nacházející se pod hřbetem živočicha zvaný sépiová kost, ze schránky ostatních skupin zůstal protáhlý útvar zvaný péro (někdy také meč) z materiálu připomínajícího rohovinu.

Všichni hlavonožci jsou draví, kořist loví pomocí ramen vyzbrojených okrouhlými přísavkami, jejichž okraje jsou opatřeny háčky. Ústní otvor se nachází uprostřed věnce ramen a je opatřen rohovinovým zobákem připomínajícím zobák papouška. Většina druhů je schopna v ohrožení vypustit inkoustový oblak, který usnadňuje napadenému nepozorovaný únik před nepřítelem. Hlavonožci mají jako jediní z bezobratlých komorové oči podobné očím obratlovců a značně vyvinutou nervovou soustavu. Vědci podrobili některé druhy chobotnic inteligenčním testům v různých bludištích a testovaní hlavonožci si vedli nad očekávání dobře. Vysoký intelekt a dokonalá organizace těla dovoluje hlavonožcům, aby zdatně konkurovali rybám. Některé druhy olihní se vyskytují v mnohatisícových hejnech a jsou předmětem komerčního rybolovu. A obě skupiny – jak chobotnice, tak i desetiramenní hlavonožci vytvořili i gigantické formy, které jsou jedněmi z  největších nejzáhadnějších a nejnebezpečnějších obyvatel mořských hlubin.