El estudio mediante microscopía electrónica sugiere que tanto los pterobranquios como los graptolitos, estos últimos extintos, pertenecen al mismo clado.
El cuerpo se compone de tres secciones: una trompa anterior denominada prosoma; una región discoidal con tentáculos llamada mesosoma; y finalmente el metasoma, compuesto por el tronco, en forma de saco, y un pedúnculo adyacente.
La trompa es una estructura ancha y aplanada, en la mayoría de las especies contiene glándulas que segregan un tubo de material orgánico en el que el pterobranquio pasa su vida adulta.
Los tentáculos están cubiertos de cilios y ayudan a filtrar los alimentos del agua.
Cephalodiscus y Atubaria tienen un solo par de hendiduras branquiales en la faringe, aunque Rhabdopleura no posee ninguno.