La fauna del final del precámbrico estuvo representada por una gran cantidad de animales de cuerpo blando. Abundantes especímenes se encontraron en las colinas de Ediacara, al sur de Australia. No han sido clasificados con exactitud, aunque se supone que pertenecen a esponjas, medusas y ctenóforos.
En el periodo Cámbrico (542-488 millones de años), correspondiente al inicio del paleozoico, se registró una impresionante radiación evolutiva con la aparición de diversos grupos, como briozoarios, corales, braquiópodos, moluscos, artrópodos, equinodermos y los ancestros de los cordados. Incluyen especies como Pikaia gracilens, similar a un anfioxo o a un pez primitivo sin mandíbulas, que se considera similar al ancestro común de los cordados.
En el periodo Ordovícico (488-444 millones de años) se diversifican en grandes proporciones todos los grupos que aparecieron en épocas anteriores. Las especies ocupan prácticamente todos los nichos disponibles y se desarrollan los primeros ecosistemas bien establecidos. Especialmente notables son los trilobites, que en este periodo presentaron una variedad asombrosa de formas, seguramente asociadas con la ocupación de numerosos nichos ecológicos. La riqueza de restos fósiles de trilobites se debe a que fueron los primeros organismos que desarrollaron un exoesqueleto de calcita que favoreció su fosilización. Los principales depredadores invertebrados eran las estrellas de mar y los nautiloides. Los pequeños peces primitivos Agnatha (sin mandíbulas), que hicieron su aparición durante el cámbrico, florecen en los mares del ordovícico. Este periodo terminó con una extinción masiva —la segunda—, causada probablemente por una disminución de la temperatura y del nivel del mar.
En el Silúrico (444-416 millones de años) se inició nuevamente una diversificación de organismos. Los trilobites acorazados, los amonites y nautilos dominan los mares. La vida conquistó el medio terrestre. Las primeras plantas terrestres seguramente evolucionaron de las algas verdes. Aún no existían plantas grandes que pudieran constituir verdaderos bosques. Los animales pioneros de este nuevo medio fueron escorpiones y artrópodos semejantes a milpiés.
Durante el Devónico (416-359 millones de años) las formas de vida predominantes en los mares fueron los peces y algunos invertebrados como los amontes, relacionados con los nautiloides. A este periodo se le llama "la edad de los peces" y en él hicieron su aparición los tiburones. En el Devónico tardío, peces de aletas lobuladas como Eusthenopteron y Tiktaalik (este último descubierto en el año 2004) dieron origen a los anfibios laberintodontos (Ichthyostega). Las aletas pectorales y pélvicas de peces como Eusthenopteron se transformaron en patas, que les permitieron salir del agua temporalmente. Las plantas estuvieron representadas por una amplia variedad de briofitas, helechos, colas de caballo y, al final del periodo, las primeras gimnospermas.
En el periodo carbonífero (359-299 millones de años) predominaron condiciones cálidas y húmedas que favorecieron la proliferación de pantanos y exuberantes bosques de plantas con esporas, como licopodios, helechos y equisetos, todos ellos de gran altura. Prosperaron también plantas con semillas —las cuales protegían al embrión contra la desecación—, como ciertos helechos y coníferas, y abundaban los anfibios. En esta etapa se establecieron las líneas que llevarían más tarde a la evolución de los demás tetrápodos, y surgieron los primeros insectos alados, como cucarachas, saltamontes, cigarras y libélulas. Numerosos artrópodos eran gigantescos, como un milpiés de 2 metros de largo, o una libélula de 70 cm de envergadura (Meganeura). Gran parte de la materia vegetal de estos bosques, al acumularse y posteriormente comprimirse, constituyó depósitos de carbón, que alcanzaron en algunos sitios hasta 900 metros de profundidad. A finales de este periodo aparecen los primeros reptiles, los cuales conservaban algunos caracteres de anfibios.
En el periodo Pérmico (299-251 millones de años) proliferaron los reptiles, que tenían varias ventajas sobre los anfibios. Mientras éstos dependían completamente del agua para completar su ciclo de vida, los reptiles desarrollaron adaptaciones que les permitieron sobrevivir en ambientes más secos: gruesa piel escamosa que impedía la pérdida de agua corporal, huevos protegidos con un cascarón que contenía una provisión de agua para el desarrollo del embrión, y pulmones más complejos, etcétera. Entre los diversos grupos de reptiles figuran los pelicosaurios, como el Dimetrodon, que poseía una vistosa vela dorsal, la cual se ha interpretado como un dispositivo de control térmico. Este grupo es también notable porque dio origen a los terápsidos, que ya presentaban rasgos esqueléticos de mamíferos.
El final del periodo Pérmico y del Paleozoico estuvo marcado por la tercera gran extinción masiva conocida, y probablemente la más extensa y violenta. En esta extinción desapareció más de 90% de las especies de animales marinos, incluyendo trilobites, euriptéridos, corales primitivos y foraminíferos planctónicos. En tierra desapareció casi 75% de los reptiles y anfibios. Se estima que apenas 5% de todas las especies sobrevivió a la catástrofe.
