Nhóm thực vật hạt trần trước đây được xếp chung vào trong một ngành gọi là ngành thực vật hạt trần (Gymnospermatophyta) hay ngành Thông (Pinophyta). Hiện nay nhiều nhà hệ thống học xếp nhóm thực vật hạt trần thành bốn ngành riêng gồm ngành Tuế Cycadophyta, ngành Bạch quả Ginkgophyta, ngành Thực vật có nón (hay ngành thông) Coniferophyta và ngành Dây gắm Gnetophyta.
Nhóm thực vật Hạt trần có mức độ phát triển cao, biểu hiện trong việc phức tạp hóa cơ quan dinh dưỡng và cơ quan sinh sản để thích ứng với lối sống trên đất. Chúng gồm những đại diện có thân gỗ, thân bụi, không có thân cỏ, có cấu tạo thứ cấp, chưa có mạch thông, gỗ có quản bào núm, chưa có sợi gỗ và nhu mô gỗ (trừ Dây gắm có mạch thật). Là những cây thường xanh,lá có hình chân vịt, hình vẩy, hình kim.
Cơ quan sinh sản tạo ra 2 loại bào tử (dị bào tử). Các lá bào tử tập trung lại với nhau tạo thành nón, lá bào tử nhỏ tạo thành nón đực và lá bào tử lớn tập trung thành nón cái (trừ Cycas). Lá bào tử nhỏ chứa các túi phấn (túi bào tử nhỏ). Bào tử nhỏ được tạo ra trong túi bào tử nhỏ qua quá trình giảm phân. Bào tử nhỏ phân chia vài lần trước khi hình thành hạt phấn hoàn thiện rồi được giải phóng ra ngoài môi trường. Lá bào tử lớn (lá noãn) mang các noãn (túi bào tử lớn). Tế bào mẹ đại bào tử giảm phân tạo ra bốn tế bào đơn bội, trong đó có ba tế bào thoái hóa, chỉ một tế bào phát triển thành bào tử lớn. Bào tử lớn nằm bên trong noãn (túi bào tử lớn) thực hiện quá trình phân chia để hình thành thể giao tử cái. Thể giao tử cái hình thành hai túi trứng chứa trứng. Noãn (túi bào tử lớn) phát triển thành hạt sau quá trình thụ tinh nhưng không được bao bọc trong quả do lá noãn chưa khép kín nên được gọi là hạt trần. Chúng hình thành hạt trong quá trình sinh sản. Hạt là đặc điểm tiến hóa quan trọng bảo đảm cho sự giữ gìn và phát tán loài.
Trong quá trình thụ tinh, mặc dù noãn mang hai túi trứng nhưng chỉ có một giao tử đực thụ tinh với trứng (thụ tinh đơn) và phát triển thành phôi, trong trường hợp nhiều trứng được thụ tinh thì cũng chỉ có một phôi phát triển. Ở ngành Dây gắm trong nhóm thực vật hạt trần các nhà khoa học phát hiện có hiện tượng thụ tinh kép tuy nhiên chúng khác với hiện tượng thụ tinh kép ở thực vật hạt kín về mặt bản chất. Quá trình thụ tính kép được tìm thấy ở Welwitschia, Gnetum và Ephedra. Trong quá trình này, một giao tử đực kết hợp với một trứng tạo thành hợp tử, giao tử đực thứ hai kết hợp với một nhân đơn bội khác của thể giao tử - là sản phẩm của quá trình giảm phân- tạo ra hợp tử khác. Quá trình thụ tinh kép có thể hình thành hai hoặc nhiều hợp tử, tuy nhiên chỉ có một hợp tử phát triển thành phôi..
Những cây có hạt đầu tiên xuất hiện trên trái đất vào đầu kỷ Đevôn thuộc Đại Cổ sinh. Ở Đại Trung sinh chúng phát triển mạnh, gồm 20.000 loài. Đến nay có nhiều loài đã tuyệt diệt chỉ còn khoảng 600 - 700 loài.
Thể bào tử chiếm ưu thế tuyệt đối, cây trưởng thành với rễ thân lá và hoàn toàn thích nghi với đời sống ở cạn. Không còn sự sinh sản bằng bào tử.
Margulis (2009) cùng nhiều nhà khoa học cho rằng thực vật có hạt đầu tiên có thể hình thành từ kỷ Đê von. Hóa thạch của các dạng thực vật có hạt đầu tiên (Progymnosperm – thực vật tiền hạt trần) cho thấy chúng có hạt, tuy nhiên không phải tất cả các đối tượng đều có hạt hay các dạng cấu trúc giống hạt.
Các kết nối tiến hóa giữa các nhóm thực vật hạt trần là không chắc chắn và đặc biệt và vị trí của Dây gắm (Gnetophytes) là một vấn đề đang còn được tranh luận. Dựa trên phân tích phân tử (trình tự ADN), hình thái (bao gồm cả hạt hóa thạch) và bằng chứng sinh hóa (chất oleanone) thì các nhóm thực vật hạt trần khác nhau là đơn ngành (thực vật hạt trần là cùng một ngành) hay cận ngành (các nhóm thực vật hạt trần là các ngành tiến hóa khác nhau) và các mối quan hệ tiến hóa của chúng với thực vật hạt kín vẫn chưa rõ ràng (Bateman và cộng sự 2006).
Theo Micheal G. Simpson (2006), hạt được hình thành từ các nhóm thực vật chưa có hạt có thể trải qua 5 giai đoạn tiến hóa:
Đầu tiên là bước tiến hóa hình thành dị bào tử. Dị bào tử là hai loại bào tử đơn bội được hình thành từ 2 loại túi bào tử khác nhau: túi bào tử lớn hình thành bào tử lớn với số lượng ít, chúng được hình thành từ quá trình giảm phân của tế bào mẹ đại bào tử. Túi bào tử nhỏ hình thành bào tử nhỏ với số lượng lớn hơn thông qua quá trình giảm phân của tế bào mẹ tiểu bào tử.
Giai đoạn thứ 2 là phát triển nội bào tử (Endospory) – Trong trường hợp này thể giao tử cái được phát triển hoàn toàn trong bào tử lớn. Trong trường hợp tổ tiên trước đó khi bào tử lớn nảy mầm và lớn lên tạo thành thể giao tử, chúng được gọi là Exospory.
Giai đoạn tiến hóa thứ 4 là duy trì đại bào tử trong túi bào tử lớn. Thay vì trong các bước trên, đại bào tử được giải phóng ra ngoài túi bào tử, ở thực vật xuất hiện hạt đại bào tử được duy trì bên trong túi bào tử lớn.
Giai đoạn thứ năm là sự hình thành lớp vỏ bọc bên ngoài túi bào tử lớn. Đây được xem như là sự kiện cuối cùng trong quá trình hình thành hạt.
Bên cạnh đó sự tiến hóa của cấu trúc nhận hạt phấn và quá trình thụ tình (từ phụ thuộc vào nước đến hoàn toàn không phụ thuộc vào nước). Đối với thực vật hạt kín noãn hoàn toàn thiếu phòng hạt phấn do đó chúng có những hình thức, bộ máy truyền phấn khác nhau.
Hiện nay có nhiều hệ thống phân loại khác nhau về nhóm thực vật hạt trần, có quan điểm xếp nhóm thực vật hạt trần vàoNgành Hạt trần gồm 3 phân ngành có 6 lớp như sau (Dương Đức Tiến và Võ Văn Chi, 1978):
* Phân ngành Tuế Cycadicae
- Lớp Dương xỉ có hạt (Lyginopteridopsida): là lớp cổ nhất và đã bị tuyệt diệt
- Lớp Tuế (Cycadopsida)
- Lớp Á tuế (Bennettiopsida): đã tuyệt diệt
* Phân ngành Thông Pinicae
- Lớp Bạch quả (Ginkgopsida): chỉ còn 1 loài được trồng ở các nước ôn đới: Ginkgoa biloba.
- Lớp thông (Pinopsida)
+ Phân lớp Thông tuế Cordaitidae: đã tuyệt diệt
+ Phân lớp Thông Pinidae
Bộ Thông Pinales (gồm 7 họ:)
* Phân ngành Dây gắm Gnaticae
- Lớp Dây gắm (Gnetopsida)
+ Phân lớp Ma hoàng Ephedridae
Bộ Ma hoàng Ephedrales (gồm 1 họ, 1 chi)
Bộ Hai lá Welwitschiidae (gồm 1 họ, 1 chi)
Bộ Dây gắm Gnetidae (gồm 1 họ, 1 chi)
Theo Gifford và Foster (1989) chia nhóm thực vật Hạt trần làm 7 ngành (V.P. Singh, 2006, Gymnosperm (naked seeds plant) : structure and development, Sarup & Sons):
Ngành Thực vật tiền hạt trần (Progymnospermatophyta) đã tuyệt diệt
Ngành Dương xỉ có hạt Pteridospermophyta (ngành đa phát sinh) đã tuyệt diệt
Ngành Tuế Cycadophyta
Ngành Á tuế (Cycadeoidophyta hay Bennettitophyta) đã tuyệt diệt
Ngành Bạch Quả Ginkgophyta
Ngành Thực vật có nón Coniferophyta hay ngành thông Pinophyta
Ngành Dây Gắn Gnetophyta
Margulish và cộng sự (2009) và nhiều nhà thực vật học chia nhóm thực vật hạt trần hiện nay thành 4 ngành (tác giả không chia các nhóm thực vật hạt trần đã hóa thạch) gồm ngành Tuế Cycadophyta, ngành Bạch quả Ginkgophyta, ngành Thực vật có nón (hay ngành thông) Coniferophyta và ngành Dây gắm Gnetophyta, trong những hệ thống này thường chỉ đề cập đến các đối tượng đang còn sống hiện nay.
Hiện nay có nhiều hệ thống phân loại khác nhau về nhóm thực vật hạt trần, ở đây dựa trên cơ bản hệ thống của Margulish và cộng sự (2009) và bổ sung nhóm thực vật hạt trần đã tuyệt diệt theo hệ thống của Theo Gifford và Foster (1989). Như vậy, ngành Thông Pinophyta theo Margulish và cộng sự (2009) và Gifford và Foster (1989) chỉ còn 1 lớp Lớp thông (Pinopsida) gồm: Phân lớp Thông tuế Cordaitidae (đã tuyệt diệt); Phân lớp Thông Pinidae gồm 1 bộ Thông Pinales (bộ có 7 họ)