Los restos de Guiyu Oneiros se encontraron en la Formación Kuanti, datada en el Ludlow tardío, y su edad se determinó utilizando conodontos como fósiles índice. La fauna de Xiaoxiang incluye también galeaspidos, placodermos y acantodios, lo que sitúa a Guiyu Oneiros en un contexto ecológico donde convivían múltiples linajes tempranos de vertebrados.

Fue descrito formalmente en 2009 por el paleontólogo chino Zhu Min y su equipo, basándose en un espécimen articulado casi completo, un hallazgo extraordinario dada la fragilidad de los peces óseos primitivos. El nombre del género, Guiyu, es una transliteración del mandarín guǐyú, que significa “pez fantasma”, mientras que el epíteto específico oneiros proviene del griego ὄνειρος, “sueño”, aludiendo a la naturaleza casi onírica del descubrimiento de un pez tan primitivo y tan bien conservado.

El holotipo de Guiyu Oneiros mide unos 26 centímetros de longitud y alrededor de 11 centímetros de profundidad corporal. La aleta caudal no se preservó, pero se estima que el animal vivo alcanzaba unos 30 centímetros de largo. La cabeza representaba aproximadamente el 23% de la longitud total del cuerpo, y el cuerpo de Guiyu Oneiros tenía una forma claramente hidrodinámica, lo que sugiere que era un nadador competente.Poseía una combinación de características primitivas que recuerdan a los placodermos, los primeros vertebrados con mandíbulas, pero que están ausentes en los osteíctios modernos. Esta mezcla de rasgos convierte a Guiyu Oneiros en un fósil clave para entender la transición entre los peces con armadura y los peces óseos posteriores.

Una de las características más notables de Guiyu Oneiros es su cintura pélvica. Mientras que en los osteíctios modernos la pelvis está formada exclusivamente por hueso endocondral, la pelvis de Guiyu Oneiros incluía también huesos dérmicos, entre ellos placas laterales pareadas y una placa media impar. Este rasgo lo acerca a los placodermos y sugiere que la evolución de la cintura pélvica en los peces óseos fue más compleja de lo que se pensaba. Las aletas pectorales, pélvicas y dorsales de Guiyu Oneiros estaban reforzadas por grandes espinas, un rasgo compartido con muchos placodermos y acantodios, lo que indica que Guiyu Oneiros conservaba elementos de la armadura dérmica ancestral.

Detrás del techo craneal, presentaba tres placas dorsales medianas, estructuras que en la mayoría de los placodermos formaban parte de la armadura torácica. La tercera de estas placas portaba la primera espina de la aleta dorsal. Los huesos del cráneo, las escamas y otros elementos dérmicos de Guiyu Oneiros estaban cubiertos de ganoína, un tejido brillante y extremadamente duro que también recubre las escamas y huesos craneales de los peces con aletas radiadas basales. La presencia de ganoína en Guiyu Oneiros refuerza su posición como un osteíctio primitivo que conserva rasgos ancestrales compartidos con varios linajes tempranos de vertebrados.

Guiyu Oneiros fue descrito inicialmente como un pez de aletas lobuladas basal, aunque presentaba características tanto de sarcopterigios como de actinopterigios. Esta combinación de rasgos convierte a Guiyu Oneiros en un fósil crucial para reconstruir la divergencia entre los peces de aletas lobuladas y los peces de aletas radiadas. Los osteíctios modernos se dividen en dos grandes linajes: los sarcopterigios, que incluyen a los peces pulmonados y a los antepasados de los tetrápodos, y los actinopterigios, que representan la inmensa mayoría de los peces actuales. Si Guiyu Oneiros es efectivamente un sarcopterigio basal, la separación entre ambos linajes debió producirse ya a finales del Silúrico, hace al menos 419–425 millones de años, lo que adelanta significativamente la cronología tradicional de la evolución de los peces óseos.

Guiyu Oneiros suele agruparse con otros tres osteíctios primitivos: Achoania, Psarolepis y Sparalepis. Este conjunto de peces ha sido denominado informalmente “psarolepidos”, y representa un grupo clave para comprender la evolución temprana de los osteíctios. Los psarolepidos muestran una mezcla de rasgos derivados y primitivos que los sitúan en la base del árbol evolutivo de los peces óseos, y Guiyu Oneiros es uno de los representantes más completos y mejor conservados de este grupo.

Guiyu Oneiros, con su combinación única de características placodérmicas, acantodias y osteíctias, su excelente estado de conservación y su antigüedad extraordinaria, constituye uno de los fósiles más importantes para reconstruir la historia evolutiva de los vertebrados con esqueleto óseo. Su descubrimiento ha permitido redefinir la cronología y la morfología de los primeros osteíctios y ha abierto nuevas líneas de investigación sobre la transición entre los peces con armadura y los peces óseos modernos.