Au début de cette ère les formes de vie se limitent à des bactéries, des algues, des éponges et une variété de formes encore mal connues apparues durant l'Édiacarien.

La diversité et le nombre d'organismes explosent durant le Cambrien. On pense que les premiers organismes terrestres apparaissent durant le Paléozoïque mais ce phénomène reste mineur avant le Silurien et le Dévonien. Bien que des vertébrés primitifs soient présents dès le début de cette ère les invertébrés restent dominants jusqu'à la moitié du Paléozoïque. La population de poissons explose durant le Dévonien. Pendant la seconde moitié de cette ère de grandes forêts de plantes primitives forment ce qui deviendra les couches de charbon modernes. À la fin du Paléozoïque les premiers reptiles sophistiqués et les premières plantes modernes (conifères) se sont développés.

Le Cambrien (542Ma – 488Ma) : les métazoaires

Les principaux sédiments du cambrien révèlent l’extension de mers peu profondes recouvrant des plates-formes continentales. Son début fut marqué par la brusque multiplication de nouveaux groupes d’animaux et notamment d’animaux à parties dures. Leur apparition reste l’un des grands mystères de l’histoire fossile.

Les métazoaires minuscules à coquilles (environ 1 à 5 mm) et à faible diversité, les Small Shelly Fossils, sont largement répandus dans le monde (Australie, Inde, Chine, Mongolie, Sibérie, Iran, Amérique du Nord, Europe, etc.). Cette apparition et celle de la faune édiacarienne, à partir de 565 Ma, représentent 2 pulsations majeures qui caractérisent l'émergence des animaux macroscopiques à la fin du Néoprotérozoïque et au Cambrien inférieur, suivie par "l'explosion cambrienne".

1. Au Cambrien basal apparaissent Anabarites, Protohertzina et mollusques primitifs. Au fil du temps les organismes à squelettes et à membres distincts deviennent de plus en plus abondants.

2. Au Tommotien (530-527 Ma), de nouveaux phyla sont recensés : Brachiopodes et Porifères (récifs d'Archéocyathes), Lapworthella, et de nombreux phyla à corps mou.

3. Au  Atdabanien (527-525 Ma), surgissent les Arthropodes (dont les Trilobites qui vont dominer le Cambrien) et des Echinodermes primitifs.

4. Au Cambrien moyen, la faune de Burgess Shale (vers 520 Ma) sera composée d'animaux à corps mou et d'animaux à parties dures.

Le Cambrien ressort ainsi plus comme un période d'essais évolutifs intenses, de radiation des métazoaires et de diversification des lignées que comme une période de spécialisation. La radiation cambrienne des métazoaires constitue un des évènements des plus importants de l'histoire de la vie avec l'apparition de la plupart des plans d'organisation associés aux innovations les plus essentielles des organismes vivants (squelettes minéralisés, intestins, mâchoires, branchies, yeux, etc.).

Faune du Cambrien

Les coquilles dures se fossilisent mieux que les corps mous ; c’est pourquoi les roches de cette époque sont remplies de fossiles. La vie animale du cambrien a été extraordinairement variée.

Dans les roches du Cambrien, on peut observer que de nombreux ancêtres d’animaux vivant aujourd’hui venaient tout juste d’apparaître. C’étaient les mollusques à coquille et à tentacules qui ont évolué jusqu’à nos palourdes et nos bigorneaux, et les Arthropodes aux pattes articulées qui sont devenus les crabes et les homards. Les étoiles de mer, les oursins, les coraux, les éponges, sont également apparus à cette époque. Ils augmentèrent sensiblement le nombre des familles connues et modifièrent la composition des communautés vivant sur les fonds marins.

L'Ordovicien (488Ma – 443Ma) : une extension massive

L’Ordovicien débute avec un épisode d’extinction d’espèces important, l’extinction du Cambrien, et se finit par une autre extinction massive, l’extinction Ordovicien-Silurien.

1. On la date à environ 480 millions d'années, c'est la première des extinctions majeures des espèces macroscopiques (environ 85% des espèces). Les causes extra terrestres (impacts météoritiques) ne sont pas prouvées. Par contre on peut incriminer un grand refroidissement global et des variations du niveau marin (dites glacio-eustatiques). Le supercontinent Gondwana, alors placé au pôle sud, porte une immense calotte glaciaire (inlandsis). Cette glaciation qui mobilisa d'énormes quantités d'eau, a fait baisser le niveau des mers; ce qui entraine un ralentissement de la circulation océanique et établit des conditions de faible teneur en oxygène, ce qui peut expliquer des conditions de vie plus difficiles.

2. Lextinction Ordovicien-Silurien fut causée par la baisse des océans lors de la formation des glaciers, ensuite par la remontée du niveau des océans lorsque les glaciers fondèrent. Au total 25% des familles marines disparurent ainsi que 60% des espèces marines. A cette époque la vie n'avait pas encore quitté l'océan. on trouve une anomalie de carbone dans les sédiments des récifs coralliens traduisant un effondrement de la biosphère marine. De plus, une anomalie d'iridium se  retrouve en Chine, au Canada et en Ecosse. Par contre on ne retrouve pas les spinelles (oxydes métalliques dont font partie les magnétites, mais le sens strict se sont les oxydes de magnésium et d'aluminium), les quartz choqués et les tectites.

Les continents de l’hémisphère sud se sont groupés en un supercontinent : Gondwana.

Le Gondwana est issu de la fracture d’un supercontinent encore plus ancien : Rodinia. Au début de l’Ordovicien, Gondwana est situé au latitudes équatoriales et se déplace vers le pôle Sud. De petits terranes, qui se séparent du Gondwana y seront ré-accrétés durant l’Ordovicien Moyen. Ces évènements orogéniques ont laissé des traces comme la présence en Europe, d’ophiolites, de granites et de roches métamorphiques de cet âge (Massifs cristallins des Alpes : Aiguilles Rouges, Belledone). Tout comme l’Amérique du Nord et l’Europe, Gondwana est en partie couverte de mers peu profondes. Les roches de l’Ordovicien sont principalement sédimentaire, les sédiments marins qui en forment la plus grande partie sont constitués en grande partie de calcaire, les schistes et le grès est bien moins fréquent.

Le Silurien (443Ma à 416Ma) : une extension massive

Pendant le Silurien, le Gondwana reste dans les latitudes hautes de l'hémisphère sud mais la calotte glaciaire est moins étendue que pendant l'Ordovicien. Les autres continents se rapprochent pour commencer la formation d'un second supercontinent, Laurussia. Laurussia a été formé suite à la fermeture du grand océan Iapetus qui séparait les divers continents de l'hémisphère nord avant leur accrétion. Ceci a donné naissance à l'orogenèse Calédonienne dont on retrouve les traces en Scandinavie. Cette grande chaine de montagnes se poursuit vers le Canada et les États-Unis où elle forme les Appalaches. Les petits "terranes" accrétés au Gondwana pendant l'Ordovicien se redétachent à nouveau pour former le "super Hun Terrane", constitué de la majeure partie des territoires dévastés par Attila.

La vie est abondante. Les couches siluriennes ont produit du gaz et du pétrole dans certaines régions. Des couches d'hématite (un minerai de fer) ont été importantes pour l'économie coloniale en Amérique du Nord.

Faune du Silurien

Le niveau des océans est élevé en Amérique du Nord-Est et en Europe. Des formes primitives de plantes multi-cellulaires envahissent les terres. Quelques rares Arthropodes ont, semble-t-il, migré vers la terre. Les poissons se sont diversifiés considérablement et ont développé des écailles mobiles. Une faune diverse de scorpions de mer, certains longs de plusieurs mètres, se trouve en Amérique du Nord. Les Graptolites sont toujours abondants.

Le Dévonien (416Ma – 359Ma) : l'extinction du Dévonien

Durant le Dévonien les poissons évoluent vers des formes qui vont conduire aux premiers tétrapodes puis aux amphibiens. Les insectes et araignés commencent à coloniser les habitats terrestres. Les premiers Progymnospermes s'étendent sur les terres en formant des forêts. Dans les océans les requins primitifs sont plus nombreux que pendant le l'Ordovicien supérieur ou le Silurien. De nouvelles formes d'Ammonites et de trilobites apparaissent. Les brachiopodes sont communs ainsi que de grand récif corallien.

Sur terre, les bactéries et les algues du Silurien sont rejoints pendant cette période par des plantes primitives qui ont créé les premières terres grasses et hébergé des arthropodes, comme les mites et les scorpions, et des myriapodes, les arthropodes étaient déjà présent sur terre avant le Dévonien. Les premières traces fossiles d’insectes datent du Dévonien récent. À la fin du Dévonien les premiers amphibiens et les arthropodes sont solidement établis sur terre.

Exemple de faune marine fossilisée du Givétien (391Ma - 385Ma)

Au dévonien supérieur des forêts de plantes primitives existent : lycophytes, sphénophytes, fougères et des progymnospermes sont apparus. La plupart de ces plantes ont de vraies racines et feuilles. Les fougères se sont spéciées en formes géantes semblables aux arbres. À la fin du dévonien les premières plantes à graines sont apparues. L’apparition rapide de tant de groupes de plantes différentes est connue sous le nom d’explosion du Dévonien. Les arthropodes primitifs co-évoluent avec ces plantes diverses. La dépendance évolutive entre les insectes et les plantes à graines est caractéristiques du monde vivant moderne et a ses racines dans le Dévonien.

L'extinction du Dévonien est l'une des grandes destructions d'espèces animales et végétales de l'histoire de la vie sur Terre. Elle se situe entre - 380 et - 365 millions d'années, sur 6 évènements biologiques, et porte sur environ 75 % des espèces (benthos, récifs, brachiopodes) et ne concerne que peu les plantes et arthropodes continentaux. La fermeture de la Paléotethys (une aire océanique ouverte au nord du Gondwana) modifie la circulation atmosphérique et le climat se réchauffe. L'élévation du niveau des mers amène des eaux peu oxygénées sur les plateaux continentaux. Une flore et une faune y prolifèrent, favorisées par un afflux de nutriments continentaux. Cependant, le climat se refroidit de nouveau et les faunes adaptées à ces eaux chaudes disparaissent (On constate aussi l'existence de cratères d'impacts datant de cette époque (Frasnien supérieur) ; ce facteur de bouleversement paraît, cependant, secondaire).

Le Carbonifère (359Ma - 299Ma) : les premiers grands arbres

Cette période est caractérisée par les premiers grands arbres. Dans le nord-est de l'Amérique, les lits marins deviennent moins communs et sont presque inexistants vers la fin de cette période. La vie marine est riche en crinoïdes et autres espèces d’échinodermes. Les brachiopodes sont abondants. Les trilobites se sont raréfiés. Sur les terres, une population variée de plantes existe. Les vertébrés terrestres incluent de grands amphibiens.

La baisse globale du niveau de la mer de la fin du Dévonien s’inverse au début du Carbonifère. Cette hausse du niveau de la mer crée des mers épicontinentales et les dépôts de carbonate du Mississippien. Une chute des températures se produit au pôle sud et le sud du Gondwana est gelé; il n'est pas certain que les glaciers sur ce continent soient nouveaux ou s'ils existaient déjà durant le Dévonien. Ces conditions plus froides ont peu d’impact aux latitudes plus basses où des marécages luxuriants sont communs. Le niveau de la mer chute vers le milieu du Carbonifère, de nombreuses espèces marines sont touchées et s’éteignent, particulièrement les Crinoïdes et les Ammonites.

Le Carbonifère est une période d’orogenèse active, la Pangée est en cours de formation. Les continents de l’hémisphère sud restent liés dans Gondwana, tandis que ce supercontinent entre en collision avec la Laurussia le long de ce qui est actuellement la côte est de l’Amérique du Nord. La chaîne hercynienne en Europe et les Appalaches en Amérique du Nord se forment lors de cette collision. La plaque eurasienne se soude à l’Europe de l'Ouest au niveau de l’Oural. La plus grande partie de la Pangée est alors assemblée à l’exception de la Chine du nord et de l’Asie du sud-est. La forme de la Pangée à la fin du Carbonifère est celle d’un O. Il existe deux océans majeurs au Carbonifère, Panthalassa et Paléotethys, à l’intérieur du O formé par la Pangée du Carbonifère récent. D’autres océans mineurs existent, Prototéthys, fermé par la collision du micro-continent de Chine du Nord et Siberia/Kazakhstania, l’océan Rhéique, fermé par la collision de l’Amérique du Nord et de l’Amérique du Sud. le petit et peu profond océan de l'Oural, fermé par la collision de Baltica et Siberia.

Les couches rocheuses datant du carbonifère en Europe et en Amérique du Nord consistent souvent en des séquences répétées de calcaire, grès, schiste et charbon. En Amérique du Nord, les dépôts de calcaire sont largement d’origine marine. Les dépôts de charbon du carbonifère ont fourni une grande part de l’énergie nécessaire à la révolution industrielle et reste encore de nos jours une ressource énergétique de grand intérêt.

Le Permien (299Ma - 251Ma) : la plus grande extinction massive

La stratigraphie est une discipline des sciences de la Terre qui étudie la succession des différentes couches géologiques ou strate. Il s'agit d'une approche intégrée, en ce que des résultats apportés par la géochimie, la paléontologie, la pétrographie, l'astronomie, etc. sont réunis et exploités à travers différentes méthodes. Ces méthodes, développées de façon relativement indépendante, sont ensuite réinvesties dans des approches plus généralistes :

1. la chronostratigraphie cherche à établir une échelle des temps géologiques aussi précise et fiable que possible en organisant les données élémentaires que constituent les « unités chronostratigraphiques ».

2. la stratigraphie séquentielle, exploitant la sismique réflexion, cherche à éclairer l'organisation relative des corps sédimentaires en liaison avec les variations cycliques du niveau marin à l'échelle régionale.

3. la stratigraphie génétique cherche à dégager des modèles sédimentologiques généraux pour effectuer des prévisions en sous-sol, en l'absence de données complètes (forages ponctuels).

Comme pour toutes les périodes géologiques anciennes, les couches stratigraphiques de référence du Permien sont bien connues mais leur datation exacte est sujette à des variations de quelques millions d'années, suivant les auteurs.

La Pangée

Toutes les masses de terre, à l'exception d'une portion de l'Asie du Sud-Est se sont agglomérées en seul supercontinent appelé Pangée, qui s'étendait de l'équateur aux pôles avec un océan correspondant : Panthalassa (la mer universelle). Un seul grand continent a créé des conditions climatiques impliquant de grandes variations de température au gré des saisons (climat continental) ainsi qu'un régime de pluie du type mousson. Les déserts semblent être très étendus sur Pangée. Les conditions sèches ont favorisé les Gymnospermes, des plantes dont les graines sont encapsulées dans une protection, d'autres plantes comme les fougères qui dispersent des spores. Les premiers arbres modernes (conifères) sont apparus durant le Permien.

La Pangée

Les formes de vie dominantes sont diverses : plantes, de grands Amphibiens et de grands reptiles incluant les ancêtres des dinosaures. La vie marine est riche en Mollusques, Échinodermes et Brachiopodes. Les derniers Trilobites ont disparu avant la fin du Permien. Les coquilles fossilisées de deux invertébrés sont souvent utilisées pour identifier les strates géologiques du Permien : les fusulinidés, foraminifères benthiques qui disparaissent quasi totalement à la limite entre le Permien moyen et supérieur, et les Ammonites dont l'équivalent moderne est le nautilus. On utilise aussi souvent les mâchoires de conodontes, un presque vertébré marin disparu à la fin du Trias.

L'extinction massive

L’extinction permienne est la plus grande extinction massive ayant affecté la biosphère. Elle est marquée par la disparition de 95 % des espèces marines (essentiellement littorales : coraux, brachiopodes, échinodermes…) et aussi 70% des espèces vivant sur les continents par la diminution de nombreux groupes végétaux et animaux, y compris des insectes.

Même si la rareté des couches géologiques à cette limite et l’absence de données paléontologiques précises compliquent le travail des scientifiques dans l’établissement d’une chronologie précise des événements et de la relation entre les différentes causes et les conséquences biologiques, un scénario est proposé.

Cette crise serait en relation avec la survenue de divers phénomènes géologiques :

1. vers - 265 Ma, une régression marine touche les plateaux continentaux de la Pangée ;

2. une intense activité volcanique continentale (trapps d’Emeishan (Chine) à - 258 Ma, puis trapps de Sibérie, à - 250 Ma) ;

3. une activité très importante des dorsales océaniques de l’océan Téthys, produisant un volume considérable de laves basaltiques à l’origine d’une transgression affectant les côtes de la Pangée, sur une dizaine de millions d’années.

Ces phénomènes seraient à corréler à des modifications des climats et des courants marins, ayant entraîné les extinctions progressives de très nombreux êtres vivants, à l’échelle de quelques millions d’années.

Une théorie complémentaire concerne la variation du niveau de la chimiocline. Celle-ci atteignant la surface suite au réchauffement global de la planète, lui-même induit par l'augmentation de la concentration en dioxyde de carbone d'origine volcanique, permet la libération dans l'atmosphère d'une grande quantité de sulfure d'hydrogène, toxique pour la plupart des organismes. En outre, le sulfure d'hydrogène libéré peut détruire la couche d'ozone, ce qui a également des conséquences délétères pour la plupart des espèces. Les biomarqueurs des sédiments montrent que les bactéries consommatrices de sulfure d'hydrogène ont proliféré dans tous les océans de la fin du permien.