文昌鱼皮肤薄而半透明，由单层柱形细胞的表皮和冻胶状结缔组织的真皮两部分构成，表皮外覆有一层角皮层（cuticle）。表皮外在幼体期生有纤毛，成长后则消失殆尽。文昌鱼尚未形成骨质的骨骼，主要是以纵贯全身的脊索作为支持动物体的中轴支架。脊索外围有脊索鞘膜，并与背神经管的外膜、肌节之间的肌隔、皮下结缔组织等连续。脊索细胞呈扁盘状，其超显微结构与双壳类软体动物的肌细胞比较相似，收缩时可增加脊索的硬度。此外，在口笠触须、缘膜触手、轮器内部也都有角质物支持，奇鳍和鳃裂的鳍条（fin rays）及鳃条（gill bar）由结缔组织支持。文昌鱼背部的肌肉厚实而腹部比较单薄，与无脊椎动物周身体壁厚薄均匀的情况不同。全身主要的肌肉是60多对按节排列于体侧的“V”字形肌节（myomere），尖端朝前，肌节间被结缔组织的肌隔（myocomma）所分开。两侧的肌节互不对称，便于文昌鱼在水平方向作弯曲运动。此外，还有分布在围鳃腔腹面的横肌和口缘膜上的括约肌等，控制围鳃腔的排水及口孔的大小。 [1]  

文昌鱼靠轮器和咽部纤毛的摆动，使带有食物微粒的水流经口入咽，食物被滤下留在咽内，而水则通过咽壁的鳃裂至围鳃腔，然后由腹孔排出体外。作为收集食物和呼吸场所的咽部极度扩大，几乎占据身体全长的1/2，咽腔内的构造与尾索动物相似，也具有内柱、咽上沟和围咽沟等。文昌鱼幼体的鳃裂直接开口于体表，后来形成围鳃腔，以腹孔作为咽部鳃裂的总出水口。咽内的食物微粒被内柱细胞的分泌物粘结成团，再由纤毛运动使它从后向前流动，经围咽沟转到咽上沟，往后推送进入肠内。肠为一直管，向前伸出一个盲囊，突入咽的右侧，称为肝盲囊（hepatic diverticulum），能分泌消化液，与脊椎动物的肝脏为同源器官。食物团中的小微粒可进入肝盲囊，被肝盲囊细胞所吞噬，营细胞内消化，大微粒在肠内分解成小微粒后，也转到肝盲囊中进行细胞内消化，未消化的物质由肝盲囊重返肠中，在后肠部进行消化和吸收。肠的末端开口于身体左侧的肛门。咽腔是文昌鱼完成呼吸作用的部位。咽壁两侧有60多对鳃裂，彼此以鳃条分开，鳃裂内壁布有纤毛上皮细胞和血管。水流进入口和咽时，藉纤毛上皮细胞的纤毛运动，通过鳃裂，并使之与血管内的血液进行气体交换，最后，水再由围鳃腔经腹孔排出体外。有人认为文昌鱼纤薄的皮肤也具有直接从水中摄取氧气的能力。 [1] 

文昌鱼循环系统属于闭管式，即血液完全在血管内流动，这种情形与脊椎动物基本相同。无心脏，但是具搏动能力的腹大动脉（ventral aorta），因而被称为狭心动物。由腹大动脉往两侧分出许多成对的鳃动脉（branchial arteries）进入鳃隔，鳃动脉不再分为毛细血管，它在完成气体交换的呼吸作用后，于鳃裂背部汇入2条背大动脉根。背大动脉根内含多氧血，往前流向身体前端，向后则由左、右背大动脉根合成背大动脉（dorsal aorta），再由此分出血管到身体各部。血液无色，也没有血细胞和呼吸色素，动脉中的血液通过组织间隙进入静脉。从身体前端返回的血液通过体壁静脉（parietal vein）注入一对前主静脉 （anterior cardinal vein）；尾的腹面有一条尾静脉（caudal vein），收集一部分身体后部回来的血液，进入肠下静脉（subintestinal vein），大部分血液则流进2条后主静脉（posterior cardinal vein）。左、右前主静脉和两条后主静脉的血液全部汇流至一对横形的总主静脉（common cardinal vein），或称居维叶氏管（ducts Cuvieri）。左、右总主静脉会合处为静脉窦（sinus venosus），然后通入腹大动脉。从肠壁返回的血液由毛细血管网集合成肠下静脉，尾静脉的部分血液也注入其中；肠下静脉前行至肝盲囊处血管又形成毛细管网，由于这条静脉的两端在肝盲囊区都形成毛细血管，因此称作肝门静脉（hepatic portal vein）。由肝门静脉的毛细血管再一次合成肝静脉（hepatic vein）并将血液汇入静脉窦内。 

排泄器官由数10对按节排列的肾管（nephridium）组成，位于咽壁背方的两侧，其结构和机能与扁形动物及环节动物的原肾比较近似。每个肾管是一短而弯曲的小管，弯曲的腹侧有单个开口于围鳃腔的肾孔（nephrostome），弯管的背侧连接着5～6束与肾管相通的管细胞（solenocytes）。管细胞由体腔上皮细胞特化而成，其远端呈盲端膨大，紧贴体腔，内有一长鞭毛。代谢废物通过体腔液渗透进入管细胞，经鞭毛的摆动到达肾管，再由肾孔送至围鳃腔，随水流排出体外。此外，在咽部后端背部的左右，各有一个称为褐色漏斗（brown funnel）的盲囊，有人认为有排泄功能，但也有人推测可能是一种感受器。

文昌鱼的中枢神经是一条纵行于脊索背面的背神经管，神经管的前端内腔略为膨大，称为脑泡（cerebralvesicle）。幼体的脑泡顶部有神经孔与外界相通，长成后完全封闭。神经管的背面并未完全愈合，尚留有一条裂隙，称为背裂（dorsal fissure）。周围神经包括由脑泡发出的2对“脑”神经和自神经管两侧发出的成对脊神经。神经管在与每个肌节相应的部位，分别由背、腹发出一对背神经根及几条腹神经根，或简称背根（dorsal root）和腹根（ventral root）。背根和腹根在身体两侧的排列形式与肌节一致，左右交错而互不对称，且其背根和腹根之间也不像脊椎动物那样联结成一条脊神经。背根是兼有感觉和运动机能的混合性神经，接受皮肤感觉和支配肠壁肌肉运动；腹根专管运动，分布在肌肉上。与文昌鱼少动生活方式相联系的是感觉器官很不发达，许多位于神经管两侧的黑色小点是文昌鱼的光线感受器，称为脑眼（ocelli）。每个脑眼由一个感光细胞和一个色素细胞构成，可通过半透明的体壁，起到感光作用。神经管的前端有单个大于脑眼的色素点（pigment spot），色素点又叫眼点（eye spot），但无视觉作用，有人认为是退化的平衡器官，有人则以为有遮挡阳光使脑眼免受阳光直射的作用。此外，全身皮肤中还散布着零星的感觉细胞，其中尤以口笠、触须和缘膜触手等处较多。

文昌鱼为雌雄异体。生殖腺附生于围鳃腔两侧的内壁上，是26对左右厚壁的矩形小囊，性成熟时可根据文昌鱼的精巢为白色或卵巢呈现淡黄色进行雌雄鉴别。成熟的精子和卵都是通过生殖腺壁的破口释出，坠入围鳃腔，再随同水流由腹孔排出，在海水中完成受精作用。文昌鱼在6～7月产卵，通常产卵和受精都在傍晚进行。卵小而含卵黄少，为均黄卵（isolecithal egg），卵径0.1mm～0.2mm。文昌鱼的发育需经历受精卵—桑椹胚—囊胚—原肠胚—神经胚各个时期，才孵化成幼体。受精卵进行几乎均等的全分裂（holoblastic），经过多次细胞分裂后，使许多细胞结成一个形似实心圆球的桑椹胚（morula）。桑椹胚在继续细胞分裂的同时，中心的细胞逐渐向胚体表面迁移，从而变成一个内部充满胶状液的空心囊胚（blastopore），囊胚中的腔为囊胚腔（blastocoel），囊胚上端的细胞略小，称动物极（animal pole），细胞较大的下端是植物极（vegetative pole）。接着，囊胚的植物极大细胞向内陷入以至与上端动物极细胞的内壁互相紧贴，囊胚腔因受挤压而消失，被新出现的原肠腔（archenteron）所代替。原肠腔以植物极细胞内陷处的胚孔（或称原口 blas-topore）与外界相通，这里相当于胚体的后端，相对的另一端为前端。此时胚胎已形成内、外两层细胞，分别称为内胚层（endoderm）和外胚层（ectoderm），胚体表面长有纤毛并能在胚膜中进行回旋运动。胚胎发育到这个阶段称为原肠胚（gastrula）。原肠胚的后期开始胚体延长、产生中枢神经、胚层进一步分化及各器官系统的形成。原肠胚自前端沿背中线至胚孔的外胚层下陷成神经板（neural plate），与此相邻的两侧外胚层同神经板脱离，互相靠拢而完全愈合，是将来的表皮部。下陷到表皮内的神经板首先在板的两侧往上隆起成神经褶（neural fold），然后卷合围成背面留有一条纵裂的神经管（neural tube），管内为神经管腔（neurocoel）。其前端以神经孔（neuropore）和外界相通，后端经胚孔与原肠相通成神经肠管（neurenteric canal）。成体时，神经孔关闭成嗅窝，而神经肠管也闭塞不通并在胚孔部形成肛门，此时的胚胎称为神经胚（neurula）。在背神经管形成的同时，脊索和中胚层也在形成。原肠背面正中出现一条纵行的隆起实体，即脊索中胚层，它与原肠分离后发育成脊索。脊索两侧各有一列按节排列和彼此连接的体腔囊（coelomic sac），这就是新发生的中胚层，体腔囊中的每个空腔即体腔（coelom）。文昌鱼身体前部的中胚层是以体腔囊的方式所形成，与棘皮动物及半索动物相同，身体后部中胚层的发生方式又与脊椎动物一致，由此可见文昌鱼在两大类动物中处于过渡性质的居中地位，对动物学的一些基本理论研究方面，可以提供许多有价值的材料。随着每个体腔囊的发育，又分化成背、腹两部分。背部称体节（somite），腹部称侧板（lateralplate），体节内的体腔以后自行消失，而侧板内的体腔最初因体腔囊分节彼此独立存在，后来由于体腔囊壁前后沟通，才在体内形成一个完整的体腔。这种体腔叫作次级体腔，是真正由中胚层所构成的体腔。体节的内侧部分，又分化为生骨节（sclerotome），将来形成脊索鞘、背神经管外的结缔组织和肌隔等；体节的中部形成肌节；体节的外侧部分以后形成皮肤的真皮。侧板的外层为体壁中胚层（somatic mesoderm），将来发育成紧贴着体腔壁的腹膜或体腔膜（peritoneum）；内层称脏壁中胚层（splanchnic mesoderm），以后形成肠管外围的组织。脏壁中胚层在肠管前段的背侧发生出分节排列的指状突起，即未来的肾管。体壁与侧板交界处的体腔壁上也发生突起，以后自此发育出文昌鱼的生殖腺。受精卵经过20多个小时后，文昌鱼的胚胎发育基本结束，全身披有纤毛的幼体就能突破卵膜，到海水中活动，此时有白天游至海底夜间升上海面进行垂直洄游的生活规律。幼体期约3个月，然后沉落海底进行变态。幼体在生长发育和变态的过程中，身体日益长大，出现前庭，鳃裂的数目因发生次生鳃条而增加了一倍，并由原来直接开口体外而变为通入新形成的围鳃腔中。一龄的文昌鱼体长约40mm，性腺发育成熟，可参与当年的繁殖。