Esta apariencia característica hizo que los primeros naturalistas pensaran que eran marcas inorgánicas o restos de plantas, antes de comprender que se trataba de colonias animales complejas. La relación entre Graptolithina y los hemicordados modernos se ha establecido mediante comparaciones con géneros actuales como Cephalodiscus y Rhabdopleura, cuyos hábitos coloniales y estructuras corporales muestran similitudes fundamentales con los Graptolithina fósiles.

Cada colonia de Graptolithina, conocida como rabdosoma, estaba formada por un número variable de ramas llamadas estipes, todas ellas originadas a partir de un individuo inicial denominado sícula. Los individuos subsiguientes, llamados zooides, se alojaban en pequeñas estructuras tubulares o en forma de copa llamadas tecas. En algunas colonias de Graptolithina existían dos tamaños distintos de teca, lo que ha llevado a sugerir la posibilidad de dimorfismo sexual dentro de la colonia. El número de ramificaciones y la disposición de las tecas son características esenciales para la identificación taxonómica de los Graptolithina, y han permitido a los paleontólogos establecer una clasificación detallada basada en la morfología colonial.

Los Graptolithina más antiguos y primitivos pertenecen al orden Dendroidea, caracterizado por colonias dendríticas o con múltiples ramificaciones. Estos dendroides aparecieron en el Cámbrico y eran animales bentónicos, fijados al fondo marino mediante una base similar a una raíz. Los Graptolithina dendroides sobrevivieron hasta el Carbonífero, lo que demuestra su éxito evolutivo a lo largo de millones de años. A partir de los Graptolithina dendroides surgieron los Graptolithina del orden Graptoloidea al comienzo del Ordovícico. Estos Graptolithina graptoloideos tenían relativamente pocas ramas y adoptaron un estilo de vida pelágico, flotando libremente en la superficie del mar. Se cree que los Graptolithina graptoloideos se mantenían a flote gracias a un delgado hilo o mediante sustancias de baja densidad, posiblemente aceites. Este grupo fue extraordinariamente prolífico y se convirtió en uno de los componentes más importantes del plancton durante el Ordovícico y el Silúrico, hasta su declive en el Devónico temprano.

Son fósiles extremadamente comunes y poseen una distribución mundial. Su abundancia, su preservación detallada y su rápida evolución los convierten en fósiles guía de enorme valor para datar estratos rocosos. Durante el Paleozoico, los Graptolithina evolucionaron rápidamente, generando numerosas especies con morfologías distintivas. Los geólogos británicos, por ejemplo, han dividido las rocas del Ordovícico y Silúrico en biozonas, muchas de las cuales representan intervalos de menos de un millón de años. Una glaciación global al final del Ordovícico eliminó la mayoría de las especies de Graptolithina existentes en ese momento. Las especies que vivieron durante el Silúrico descendían de solo una o dos especies que lograron sobrevivir a esa crisis climática. Además de su utilidad para datar rocas, los Graptolithina también se utilizan para estimar la profundidad y la temperatura del agua en la que vivían, ya que diferentes grupos de Graptolithina preferían distintos ambientes marinos.

Los fósiles de Graptolithina se encuentran con frecuencia en pizarras y arcillas, rocas que suelen formarse en aguas profundas con poca circulación, escaso oxígeno y ausencia de organismos excavadores. En estos ambientes, los Graptolithina planctónicos muertos se hundían hasta el fondo y quedaban enterrados rápidamente en sedimentos pobres en oxígeno, lo que favorecía su preservación. Aunque los Graptolithina también se encuentran en calizas y sílex, estas rocas suelen formarse en condiciones más favorables para la vida bentónica, lo que implica que muchos Graptolithina depositados allí fueron devorados antes de fosilizarse. Los fósiles de Graptolithina suelen aparecer aplastados dentro de las rocas, aunque algunos se conservan en tres dimensiones cuando se infiltran en pirita férrica, lo que permite observar detalles excepcionales de su estructura colonial.

Presentan una gran variedad de formas, aunque las más comunes son las dendríticas o ramificadas, como Dictyonema, las formas laminares o en abanico, y las formas en “diapasón”, como Didymograptus murchisoni. Debido a su aspecto lineal y ramificado, los restos de Graptolithina pueden confundirse fácilmente con fósiles de plantas por observadores inexpertos. Los Graptolithina suelen conservarse como una película negra carbonizada sobre la superficie de la roca o como una película gris clara en rocas tectónicamente deformadas. A veces son difíciles de ver, pero bajo una luz rasante se revelan como trazos brillantes. También existen Graptolithina fósiles piritizados, cuya preservación metálica permite observar detalles excepcionales.

Graptolithina, con su extraordinaria diversidad, su importancia como fósiles guía y su papel clave en la reconstrucción de los ecosistemas paleozoicos, constituye uno de los grupos fósiles más valiosos para la paleontología. Su registro detallado permite comprender tanto la evolución de los hemicordados como los cambios ambientales que afectaron a los mares del Ordovícico y Silúrico.