En 1932, Gunnar Säve‑Söderbergh describió cuatro especies de Ichthyostega procedentes del Devónico Superior de Groenlandia, junto con una especie adicional asignada al género Ichthyostegopsis (I. wimani). Sin embargo, las diferencias morfológicas entre estas formas son poco marcadas, por lo que podrían representar sinónimos menores, en cuyo caso solo I. stensioei tendría validez taxonómica. Las variaciones entre especies se basan principalmente en las proporciones del cráneo, la forma de las fenestras y los patrones de los huesos craneales. Estas comparaciones se realizaron a partir de 14 especímenes recolectados en 1931 por la Expedición Danesa al Este de Groenlandia, a los que se sumaron nuevos hallazgos entre 1933 y 1955.

Ichthyostega está estrechamente relacionado con Acanthostega gunnari, también procedente del este de Groenlandia. Aunque su cráneo conserva rasgos más propios de los peces que el de Acanthostega, la morfología de sus cinturas escapular y pélvica revela estructuras más robustas y mejor adaptadas para soportar el cuerpo fuera del agua. Presentaba además un mayor número de costillas de soporte y vértebras más sólidas, con zigapófisis bien desarrolladas. Aún se debate si estas características evolucionaron de manera independiente en Ichthyostega, pero en cualquier caso indican que este tetrápodo era capaz de aventurarse ocasionalmente en tierra firme, a diferencia de formas más primitivas como Elginerpeton u Obruchevichthys, que permanecían esencialmente acuáticas.

El cuerpo de Ichthyostega alcanzaba aproximadamente 1,5 metros de longitud, un tamaño considerable para un tetrápodo tan temprano. Su cráneo era ancho y aplanado, con los ojos situados dorsalmente, una configuración típica de animales que pasan gran parte del tiempo en el agua. Estaba armado con dientes grandes y robustos, y conservaba un opérculo en el margen posterior del cráneo que cubría las branquias, mientras que el espiráculo se alojaba en una muesca ótica situada detrás de cada ojo.

Las extremidades eran proporcionalmente grandes en comparación con las de otros tetrápodos tempranos, y las posteriores presentaban siete dedos (polidactilia), un rasgo que evidencia la experimentación evolutiva de la transición del agua a la tierra. El número exacto de dedos en las extremidades anteriores sigue siendo desconocido debido a la ausencia de fósiles completos de la mano. Además, Ichthyostega conservaba una aleta caudal provista de radios óseos, lo que refuerza su condición de animal predominantemente acuático.

Los primeros tetrápodos, como Ichthyostega y Acanthostega, se diferenciaban de los peces sarcopterigios —como Eusthenopteron o Panderichthys— por un conjunto creciente de adaptaciones a la vida terrestre. Aunque los crosopterigios poseían pulmones, dependían principalmente de las branquias para obtener oxígeno; en cambio, Ichthyostega parece haber utilizado sus pulmones como principal órgano respiratorio. Otra diferencia clave residía en la piel: mientras que los crosopterigios tenían una cubierta que no evitaba la pérdida de agua, los primeros tetrápodos desarrollaron una piel más eficaz para conservar los fluidos corporales y resistir la desecación.

En cuanto a la locomoción, los peces sarcopterigios empleaban el cuerpo y la cola para impulsarse, utilizando las aletas solo como elementos estabilizadores. Ichthyostega, por el contrario, habría utilizado principalmente sus extremidades anteriores para desplazarse, reservando la cola para mantener el equilibrio. Este cambio funcional refleja una transición crucial en la evolución de los vertebrados, en la que las extremidades comenzaron a asumir un papel locomotor más activo, incluso en animales que seguían siendo mayoritariamente acuáticos.

El tamaño adulto de Ichthyostega, cercano a 1,5 metros, habría dificultado una locomoción terrestre eficiente. Su caja torácica era masiva, formada por costillas anchas y superpuestas que limitaban la flexibilidad lateral del tronco. La columna vertebral era rígida y robusta, y las extremidades anteriores parecían lo suficientemente fuertes como para impulsar al animal en el agua, pero no necesariamente para sostener su peso en tierra. Los miembros posteriores, más pequeños y menos potentes, difícilmente habrían contribuido a soportar la masa corporal. En conjunto, esta anatomía sugiere un animal capaz de realizar movimientos limitados fuera del agua, pero no adaptado para caminar de forma sostenida.

Las extremidades delanteras, sin embargo, poseían el rango de movimiento necesario para empujar el cuerpo hacia arriba y hacia adelante, permitiendo un desplazamiento terrestre lento y síncrono, más parecido al de un Boleophthalmus dussumieri o al de un pinnípedo moderno que al de un tetrápodo plenamente terrestre. Este patrón locomotor habría sido útil para arrastrarse sobre superficies planas, especialmente durante breves incursiones fuera del agua.

Los estudios de Jennifer A. Clack propusieron que Ichthyostega y otros tetrápodos tempranos pudieron haber pasado parte del tiempo tomando el sol para elevar su temperatura corporal, un comportamiento comparable al de animales actuales como las iguanas marinas de las Galápagos o el gavial. Tras calentarse, habrían regresado al agua para alimentarse, reproducirse o regular su temperatura. Este estilo de vida exige extremidades anteriores robustas capaces de soportar el cuerpo fuera del agua, así como una caja torácica y una columna vertebral lo suficientemente fuertes para sostener el peso del animal mientras descansaba apoyado sobre el abdomen, de manera similar a los cocodrilos modernos. Investigaciones recientes sugieren además que los juveniles eran más acuáticos que los adultos, lo que abre la posibilidad de que Ichthyostega solo abandonara el agua de forma regular al alcanzar la madurez.

El agua seguía siendo indispensable para su reproducción, ya que los huevos de los primeros tetrápodos no podían sobrevivir en ambientes secos. Las larvas también dependían del medio acuático, y la fertilización probablemente era externa, como en muchos anfibios primitivos. Con el tiempo, los vertebrados terrestres desarrollaron dos estrategias de fertilización interna: una directa, presente en todos los amniotas y algunos anfibios, y otra indirecta, como la observada en numerosas salamandras que depositan un espermatóforo que luego es recogido por la hembra.

Los ichthyostegalianos —Elginerpeton, Acanthostega, Ichthyostega, entre otros— fueron finalmente reemplazados por los temnospóndilos y los antracosaurios, como Eryops, grupos que desarrollaron una locomoción terrestre más eficiente. Hasta 2002 existía un vacío de unos 20 millones de años entre ambos linajes, conocido como el Intervalo de Romer. El hallazgo de Pederpes, un tetrápodo del Misisipiense inferior de unos 350 millones de años, ayudó a cerrar esta brecha al mostrar las primeras adaptaciones claras para caminar en tierra firme.
A lo largo del Devónico Superior, Ichthyostega representó uno de los experimentos evolutivos más significativos en la transición de los vertebrados del agua a la tierra. Su combinación de rasgos acuáticos —como la aleta caudal con radios óseos, el opérculo y la posición dorsal de los ojos— junto con adaptaciones incipientes a la vida terrestre —extremidades robustas, pulmones funcionales y una caja torácica reforzada— lo sitúan en un punto intermedio crucial dentro de la evolución de los tetrápodos. Aunque no era un caminante terrestre eficiente, su anatomía revela que podía realizar incursiones fuera del agua, probablemente para termorregularse, descansar o explorar entornos marginales.

El estudio de Ichthyostega, junto con el de otros ichthyostegalianos, ha sido fundamental para reconstruir los pasos iniciales de la locomoción terrestre. Su reemplazo posterior por temnospóndilos y antracosaurios más especializados refleja la rápida diversificación de los tetrápodos tras el Devónico. El descubrimiento de Pederpes en 2002 ayudó a cerrar el Intervalo de Romer, completando una parte esencial del registro fósil y mostrando cómo se desarrollaron las primeras formas de marcha en tierra firme. En conjunto, Ichthyostega sigue siendo una pieza clave para comprender la compleja y gradual transición evolutiva que permitió a los vertebrados colonizar los ecosistemas terrestres.