La plupart des pluricellulaires sont constitués de masses de cellules beaucoup trop importantes pour que les échanges de matières puissent s'effectuer efficacement par simple diffusion. Des mécanismes de transport améliorant largement les échanges sont donc apparus très rapidement au cours de l'évolution. Nous ne considérerons ici que les systèmes de transport de substances "en masse" au niveau des organismes. Les mécanismes de transport présents au niveau cellulaire sont envisagés dans un cadre différent (cfr. chapitre 1, section 5).
Chez les spongiaires et les cnidaires, c'est le milieu extérieur qui sert de milieu transporteur grâce à un renouvellement permanent assuré par l'activité de cellules ciliées, flagellées ou musculaires. Dans tous les autres cas, le transport est assuré par des mouvements de liquides internes: sang, hémolymphe et lymphe selon le cas.
Les systèmes circulatoires les plus primitifs apparaissent sous forme de lacunes et de canaux à l'intérieur des organismes. Ce sont ici les mouvements du corps qui assurent une certaine circulation des liquides interstitiels: dans le mésoderme chez certains vers plats, dans le pseudocœlome chez les nématodes et les rotifères, dans le cœlome chez les bryozoaires et les échinodermes.
Très vite, ces systèmes s'organisent en systèmes circulatoires présentant des conduits particuliers, les vaisseaux et dont le contenu, le sang, est mis en mouvement par une pompe spécifique, le cœur. Le sang arrive au cœur par des troncs veineux (veines caves et pulmonaires chez les vertébrés) et le quitte par des troncs artériels (artères aorte et pulmonaire chez les vertébrés).
Chez de nombreux invertébrés, le système vasculaire n'est pas complet; les vaisseaux s'ouvrent sur des lacunes, des sinus de l'espace interstitiel. Le sang est parfois appelé ici hémolymphe, contraction de deux termes désignant d'une part le sang et de l'autre un type de liquide interstitiel présent chez les vertébrés.
Chez les vertébrés, le système vasculaire est complet et fermé. Les échanges entre le sang et le liquide interstitiel se font au niveau de l'endothelium très mince de vaisseaux particuliers appelés capillaires (voir plus loin: système vasculaire). Cette disposition n'est pas spécifique aux vertébrés, on la retrouve chez différents invertébrés: certains annélides, mollusques céphalopodes.
Le rôle premier des systèmes circulatoires est d'accélérer les échanges de matières, rendant possible l'existence de masses cellulaires organisées importantes. Dans certains cas, ils interviennent également dans d'autres processus. C'est par exemple le cas du transfert de chaleur qui joue un rôle important chez les homéothermes (cfr. chapitre 12). C'est aussi le cas de la transmission de force mise en œuvre dans les tissus érectiles ou dans la locomotion chez certaines espèces (cfr. chapitre 7).
Les systèmes circulatoires se sont largement modifiés au cours de l'évolution pour aboutir à une circulation permettant non seulement d'irriguer un site précis pour y assurer les échanges mais encore d'amener les quantités de liquide convenables et de façon rapidement ajustable pour répondre aux conditions d'activité locale. Dans ce cadre, les systèmes circulatoires dépourvus de cœur ne sont efficaces que si les demandes restent modestes et varient lentement. Un cœur devient nécessaire avec l'augmentation de taille et d'activité, même si le système circulatoire reste ouvert comme chez de nombreux invertébrés. Le système fermé reste seul compatible avec le développement de fortes pressions d'irrigation et une grande rapidité de circulation. Il est également le seul permettant des ajustements rapides et efficaces de flux. Dans ce cadre, il est intéressant de remarquer que des invertébrés très évolués à métabolisme élevé comme les mollusques céphalopodes ont développé un système circulatoire fermé comme les vertébrés. On trouve une exception à cette règle avec les insectes qui ont un système circulatoire ouvert mais peuvent développer localement un métabolisme très intense. Chez ces derniers, le manque d'efficacité du système cardio-vasculaire est compensé par la mise au point d'un système respiratoire, dit trachéen, très particulier effectuant les échanges gazeux de manière spécifique et très rapide (voir chapitre 3, 3.4.2). Dans différents cas où le système cardio-vasculaire est peu efficace (invertébrés, poissons), on voit apparaître un ou plusieurs cœurs servant à relancer la circulation à différents endroits. De nombreux invertébrés ont ainsi, à côté d'un cœur central, des cœurs auxiliaires au niveau des branchies, des ailes, etc. Chez les cyclostomes, il y a également une série de cœurs auxiliaires: cœur portal, cardinal ou caudal. La circulation branchiale est par ailleurs activée par la contraction d'éléments musculaires se trouvant au niveau des arcs branchiaux. On retrouve également des cœurs auxiliaires chez certains sélaciens et téléostéens, associés à un système circulatoire secondaire. Chez ces espèces, les cœurs caudaux, à l'inverse de la plupart des cœurs "centraux" ou des cœurs auxiliaires des myxines sont sans musculature propre. Ils sont actionnés par des muscles squelettiques extérieurs.
Sauf chez certaines espèces primitives peu actives et de petites tailles, le système circulatoire comporte donc toujours un ou plusieurs mécanismes de propulsion et un système vasculaire plus ou moins complet. Envisageons successivement ces deux systèmes.