Santos et al. (2003), Grant et al. (2006), Santos et al. (2009), Pyron y Wiens (2011), Santos et al. (2014) y Grant et al. (2017) incluyeron a Hyloxalus vertebralis en sus filogenias. Es el taxón hermano de un grupo que incluye a H. lehmanni + (H. pulchellus + H. delatorreae). Parece ser no tóxica y carece de alcaloides cutáneos. No se encontró evidencia en experimentos de TLC (cromatografía en capa fina) en cinco muestras de piel (Santos y Cannatella, 2011).

El disco en el Dedo III no está expandido. El Dedo I es igual al Dedo II. La franja está ausente en el Dedo II. El disco en el dedo del pie IV no está expandido. La franja está ausente en el dedo del pie IV. El pliegue tarsal externo está presente, poco desarrollado. No hay membrana entre los dedos del pie. Las franjas dorsolaterales y ventrolaterales están ausentes; la franja lateral oblicua está presente, extendiéndose hasta el ojo. Generalmente hay marcas discretas en el pecho. En algunos individuos, hay moteado oscuro en el abdomen en hembras, más oscuro en machos. El Dedo III no está hinchado en machos. Los testículos son blancos.

La siguiente descripción se basa en un individuo en Estadio 25 de una serie de dos renacuajos transportados en el dorso, procedentes de 0.9 km al oeste de Luz María, Provincia Azuay, Ecuador. La longitud total es de 11.7 mm; el cuerpo está moderadamente deprimido, aproximadamente dos tercios más bajo que ancho, más ancho en tres cuartas partes del cuerpo; el hocico es redondeado en vista dorsal y de perfil; las narinas están aproximadamente a medio camino entre los ojos y la punta del hocico; los ojos están dirigidos dorsolateralmente; su diámetro es de 0.5 mm. El espiráculo es sinistral; no se ve abertura. El tubo cloacal es corto, cónico, dextral a la aleta ventral. La musculatura caudal es robusta, adelgazándose gradualmente hacia la punta de la cola; la aleta dorsal es baja en el primer cuarto de la cola; las aletas son subiguales en altura; la longitud de la cola es el 62% de la longitud total; la altura de la cola es el 16% de la longitud total; la altura de la aleta dorsal es de 0.5 mm en la mitad de la cola, sin extenderse sobre el cuerpo; la altura de la aleta ventral es de 0.5 mm en la mitad de la cola; la punta de la aleta es redondeada. El pico oral está dirigido ventralmente, no umbeliforme; mide 1.3 mm de ancho; la fórmula de filas de dientes labiales es 2/3; la segunda fila superior está estrechamente interrumpida medialmente; la primera y segunda filas inferiores son subiguales en longitud a las filas superiores; la tercera fila inferior es apenas visible, más corta que las otras filas; las láminas mandibulares son delgadas, aserradas; la lámina mandibular superior tiene forma de arco ancho con procesos laterales largos; la lámina mandibular inferior tiene forma de V; la parte media del labio superior está desnuda; hay papilas en el margen proximal del labio superior; el labio posterior está bordeado por una fila de papilas marginales. El dorso y los lados están fuertemente pigmentados de marrón oscuro; la pigmentación ventral se concentra anteriormente sin pigmento posteriormente; la musculatura caudal es crema con motas marrón oscuro a lo largo de toda su longitud; las aletas son translúcidas con motas marrón oscuro dispersas en la aleta dorsal.