Dělení pro paleontology:
podtřída: Ectocochlia = s vnější schránkou
Nautiloidea
Endoceratoidea
Actinoceratoidea
Bactritoidea
Ammonoidea
podtřída: Endocochlia = s vnitřní schránkou
Coleoidea

Novější systémy:
podtřída: Palcephalopoda
podtřída: Neocephalopoda

Měkkýši s bilaterálně symetrickým tělem a silně modifikovanou nohou. Noha je přeměněné na ramena a chapadla s přísavkami, přísavnými rýhami a háčky k lovu, a svalnatou nálevku (hyponom) u ústí plášťové dutiny. Počet ramen může být různý. U loděnek dosahuje až devadesáti, zatímco u moderních hlavonožců (sépie, chobotnice) je ustálen na počtu deseti nebo osmi. Hlava je od útrobního vaku nezřetelně oddělena. Plášť vylučuje schránku z uhličitanu vápenatého, většinou z aragonitu. Vnější schránka může být přítomna nebo je redukována na vnitřní opornou strukturu. Schránka je vyplněná komůrkami s plynem a slouží kromě ochrany i jako hydrostatické zařízení. Kromě gonád, trávicího a vylučovací ústrojí ústí do plášťové dutiny i inkoustová žláza. Plášť zakrývající plášťovou dutinu je svalnatý a jeho stahem dojde skrze hyponom k vystříknutí vody a reaktivnímu pohybu těla vzad. K plavání slouží ploutvičkový lem nebo pár ploutviček po stranách těla.
Trávicí soustava hlavonožců začíná na hlavě ústy, která jsou obklopena věncem ramen. V ústech je zobákovitá čelist a radula, sloužící k rozmělnění kořisti, časté je napojení na jedovou žlázu. Ze žaludky vybíhají slepé výběžky. Vylučovacími orgány jsou ledviny. Dýchacími orgány jsou ktenidie, buď v jediném nebo ve dvou párech. Jejich počtu odpovídá i počet srdečních síní. Nervová soustava je velmi dokonalá, s komorovým okem a koncentrací ganglií do mozku, který je často uložen v chrupavčité schránce. Mají dokonalé hmatové orgány, jsou mimořádně pohybliví a mají velkou schopnost přizpůsobení se struktuře a barvě podkladu. Barvoměnu těla umožňují pigmentové buňky v pokožce (chromatofory). Hlubinní hlavonožci mají světélkující orgány (luminifory). Hlavonožci jsou gonochoristi, s vnějším oplozením, často s péčí o vajíčka.

Schránka

Schránka hlavonožců je z jediného celku a má tvar protáhlého kužele. Je primárně přímá nebo slabě zahnutá, časté je spirálnímu stočení. V průběhu vývoje se schránka různým způsobem modifikovala na vnitřní oporné zařízení a u některých skupin hlavonožců zanikla úplně.
Schránka je uvnitř dělená přepážkami (septy) do jednotlivých plynových komor, které vytváří fragmokon. Septa jsou vylučována povrchem pláště v zadní části těla, které vyplňuje největší obytnou komůrku při ústí schránky. Ve schránce je tělo přidržováno tkáňovým provazcem (sifonální provazec), který je uchycený ve počáteční komůrce (protoconcha) na vrcholu schránky. Provazec prochází trubicovitým útvarem (sifonální trubice) propojujícím jednotlivé plynové komůrky. Septa mohou být jednoduše klenutá nebo až velmi složitě zprohýbaná; jejich kontaktní linie s vnější stěnou schránky je označována jako šev (sutura). Průběh švu má velký taxonomický význam. U loděnkovitých a některých spodnopalaeozoických hlavonožců je sutura přímá nebo slabě prohnutá. U amonoidů je sutura zvlněná až silně rozvětvená, se složitě utvářenými sedly a laloku. V okolí perforace septa sifonální trubicí je povrch septa vyhnutý (sifonální oblina), směr vyhnutí a místo perforace septa má taxonomický význam. U loděnkovitých hlavonožců obliny směřují k vrcholu schránky, u amonoidů je tomu naopak. Stěna sifonální trubice (spojovací prstence se sousedními oblinami) je porézní a průchodná pro plyny. Umožňuje se tím regulace tlaku plynu ve schránce a tím kontrola hydrostatického vztlaku. V okolí sifonální trubice bývají ve schránce různé druhotné (kamerátní) uloženiny, jejich rozmístění a tvar má systematický význam. Tvar a schránek může být různý. Rozeznáváme schránky přímé (ortokonní), prohnuté (cyrtokonní), spirálně vinuté s nezakrytými staršími závity (evolutní) nebo zakrytými závity (involutní), případně i stránky zcela nepravidelné. Povrch ulity může být hladký či nést různou podélnou či příčnou skulpturu. Kýl, příčná jednoduchá i dělená žebra, hrbolky a krátké trny jsou vyvinuty zejména na povrchu schránek ammonoidů.
U hlavonožců dvoužábrých schránka prošla redukcí a posléze se stala vnitřní opornou a hydrostatickou strukturou. U belemnitů došlo k zesílení stěny stránky a zmenšení fragmokonu s plynovými komůrkami. Vzniklo masivní rostrum z radiálně a koncentricky rozmístěných kalcitických krystalů. Na vnitřním konci rostra (v jamce zvané alveola) je vsazen fragmokon, který je hřbetní straně protažený do aragonitového proostraka. U sépií je rostrum redukována na drobný trnovitý výběžek a sépiová kost (sepion) je tvořena pevným proostrakem na spodní straně s přiléhající křehkou porézní vrstvou odpovídající fragmokonu. U teuthidních hlavnonžců zaniká i fragmokon a jejich tělní opora (gladius) je pozůstatkem proostraka. U některých hlavonožců je přítomno víčko (aptycha) kalcitického složení.

Hlavonožci jsou nektonní nebo nektobentičtí živočichové, výhradně mořští aktivní dravci. Dokáží rychle plavat, často vytváří hejna. Jsou citliví na pokles salinity. V paleozoiku žili především v mělkých mořích, v průběhu mesozoika osídlili i hlubší prostory na otevřeném moři. V současnosti jsou především hlubinným nektonem otevřeného oceánu, s řadou přizpůsobení velkým hloubkám (mají luminifory, vyvinuly se u nich různé orgány a strategie k lapání kořisti apod.). Dnes je známo asi 6 tis. druhů, počet fosilních hlavonožců činí několik desítek tisíc.

Hlavonožci se vyvinuli ve spodním kambriu z přílipkovců. Došlo v vytažení vrcholové části schránky, jejímu předělení septy a ke vzniku plynových komůrkami jako orgánu vznosu. U nejstarších hlavonožců (Plectronoceras) ze svrchního kambria se ještě předpokládá existence nohy, tělo však již bylo nadlehčováno plynovými komůrkami ve vrcholové části schránky. Mohutnou radiaci prodělávají hlavonožci ve spodním ordoviku. Vzniká mnoho skupin (endoceráti, ellesmeroceráti, tarfyceráti aj.) jako důsledek přizpůsobení se dravému způsobu života, rychlému pohybu a velké manévrovací schopnosti. V průběhu ordoviku, siluru a devonu byli hlavonožci významnými dravci, od devonu počali být zatlačování rychle se rozvíjejícími se obratlovci. Ke konci devonu řada linií mizí a přežívají jen některé skupiny, zejména amonoidi. Tato skupina s exogastricky vinutými schránkami a složitě členěnými suturami byla dokonale přizpůsobena vznosu a tlaku vody ve větších hloubkách. Od triasu se začala silně diverzifikovat a prodělala rychlý rozvoj v juře a křídě, se střídajícími se etapami diverzifikace a vymírání . Na konci křídy amonoidi zcela vymírají. Ve svrchní paleozoiku vznikají i další linie, u kterých došlo ke zmenšení schránky a jejímu ponoření do těla jako vnitřní opory. Zejména linie belemnitů je z mesozoiku srovnatelně úspěšná jako amonoidi. Postupnou redukcí schránky u belemnitů dochází k vzniku současných skupin hlavonožců. Dvoužábří hlavonožci (kalmaři, olihně) a předchůdci sépii a chobotnic se objevují ke v juře a křídě.

Hlavonožci jsou známi od středního kambria po recent. Jako fosilie jsou důležitější než plži a mlži, neboť jejich evoluční rozkvět probíhal od kambria po křídu. Zejména jsou významní amoniti, kteří žili od spodního devonu po křídu a v tomto období jsou v mořských usazeninách biostratigraficky nejvýznamnější ze všech skupin živočichů. Do dnešní doby přežilo pouze několik specializovaných skupin hlavonožců, ty ale můžeme považovat za evolučně nejpokročilejší měkkýše.