A Era Paleozoica iniciou-se há aproximadamente 570 M.a e pode ser dividida nos seguintes períodos: Cambriano, Ordoviciano, Siluriano, Devoniano, Carbonífero e Permiano. Os três primeiros correspondem ao chamado Paleozoico inferior, enquanto os três últimos correspondem ao Paleozoico superior.
No período Cambriano, acredita-se que houve um grande aumento na diversidade de espécies. Um dos principais registros desse período é a fauna do folhelho de Burgess, que se caracteriza pela presença de pequenos invertebrados fósseis, preservados em três dimensões. Muitos desses seres ainda possuem representantes vivos nos dias atuais, entretanto, parte dessas espécies era muito peculiar e restringiu-se apenas a esse período.
Os chamados trilobitas foram um grupo bastante importante de invertebrados que dominou o período Cambriano. Esses artrópodes chegaram a compor cerca de 60% do registro fóssil do período. Foram encontrados durante toda a Era Paleozoica, porém foram extintos no final do Permiano, acompanhados de outras tantas espécies. Além dos trilobitas, no Cambriano existiam espécies de braquiópodes, moluscos, protozoários, gastrópodes, equinodermos e outros artrópodes.
No Ordoviciano, apareceram os primeiros corais no registro fóssil. Além disso, surgiram os primeiros vertebrados, um grupo conhecido como ostracodermes. Este termo diz respeito ao grupo extinto de vertebrados aquáticos que não apresentava mandíbula (agnatos).
A vida só surgiu no continente a partir do Siluriano, período marcado pelo aumento do nível dos mares após a glaciação. Espécies de plantas, bem como algumas espécies de artrópodes, foram encontradas no registro fóssil referente a esse período. Além disso, houve também o aparecimento de peixes ósseos e cartilaginosos.
No Paleozoico superior, a Terra passou por grandes mudanças climáticas, além da movimentação dos continentes. No Devoniano, as plantas dominaram os continentes, sendo que, no final desse período, já existiam espécies de porte arbóreo. Foram encontrados fósseis de troncos que apresentavam mais de um metro de diâmetro. Entretanto, não foram as plantas as grandes estrelas desse período. O Devoniano também ficou conhecido como Idade dos Peixes, em virtude da grande variedade de grupos que havia no ambiente aquático. Ocorreu nesse período, também, o surgimento dos primeiros tetrápodes.
No período Carbonífero, que se iniciou logo após uma extinção em massa no final do Devoniano, havia grandes florestas cobrindo os continentes. Foram elas as responsáveis pelos grandes depósitos de carvão localizados no Hemisfério Norte. Nesse período, os peixes cartilaginosos e ósseos passaram a dominar os mares, mas, no ambiente terrestre, destacou-se a grande quantidade de artrópodes e anfíbios. No Período Cambriano, o grande destaque foi o surgimento dos primeiros grupos de tetrápodes amniotas.
O período Permiano ficou marcado pela chamada “Flora Glossopteris”, região de clima mais temperado. Essa flora era encontrada onde atualmente estão Índia, África, América do Sul, Austrália e Antártida. Além disso, era composta por quatro gêneros principais: Glossopteris (o mais abundante), Gangamopteris, Merianopteris e Schizoneura.
Foi no Permiano que os tetrápodes amniotas iniciaram sua diversificação em linhagens Diapsida e Synapsida. A linhagem Diapsida inclui os grupos de répteis e aves, enquanto a linhagem Synapsida inclui os mamíferos e alguns outros grupos já extintos.
O final da Era Paleozoica foi marcado por uma grande extinção em massa que atingiu principalmente os animais marinhos. Estima-se que mais de 95% das espécies que viviam no mar desapareceram da Terra. Algumas espécies terrestres de anfíbios e alguns representantes de sinápsidos também foram alvo da extinção.
