Divisé en trois ères, il est marqué par plusieurs évènements précis relativement bien connus des paléontologues et géologues mais dont la datation est approximative. Classiquement, cet éon finit au début du Cambrien, à partir du moment où les premiers fossiles d’animaux connus sous le noms de trilobites apparaissent.

Au cours de cet éon, les noyaux continentaux, également appelés boucliers continentaux, et apparus durant l’Archéen, montrent une forte croissance. À la fin du Protérozoïque, le volume de la masse continentale se stabilise.

Le Paléoprotérozoïque (2500Ma – 1600Ma) : la grande oxydation

Le Paléoprotérozoïque est la première ère du Protérozoïque. C’est à cette époque que le taux d’oxygène a augmenté, produit par des cyanobactéries. Celles-ci sont apparues il y a environ 3,8 milliards d'années et font partie des espèces qui sont à l'origine de l'expansion de la vie sur Terre par leur production d'oxygène par photosynthèse et par leur contribution au premier puits biologique de carbone et à une désacidification des océans, lorsqu'elles se sont organisées en colonies fixées (stromatolithes), capables de produire du calcaire.

Stromatolithes

Lors du Sidérien (2500Ma – 2300Ma), les Banded Iron Formation se sont formées à la faveur du rejet d'oxygène par les premières algues. Cet oxygène libre a réagi avec le fer pour former la magnétite (Fe3O4), un oxyde de fer. Ce processus a débarrassé les océans de leur fer et a clarifié l'eau. Par la suite, cela permettra le développement d'une atmosphère riche en oxygène telle que nous la connaissons.

1. L’augmentation significative du taux d’oxygène dans l’atmosphère a empoisonné la plupart des formes de vie de cette époque. En effet, celles-la étaient anaérobiques et ne résistaient pas à l’augmentation du taux d’oxygène. Les seuls survivants sont ceux qui résistent aux effets oxydants de l’oxygène, ou passent la plus grande partie ou la totalité de leur cycle de vie dans un environnement libre de sa présence. On parle ainsi de grande oxydation ou de catastrophe de l’oxygène.

2. La grande oxydation a débuté il y 2,45 milliards d’années, le taux d’oxygène dans l’atmosphère est d’abord resté relativement stable et bas, de l’ordre de quelques pourcents durant la plus grande partie du Paléoprotérozoïque, les océans ont servi de puits chimiques durant cette période.

Lors du Rhyacien (2300Ma à 2050 Ma), le complexe du Bushveld et d'autres roches plutoniques similaire se sont formées. Par ailleurs, la glaciation dite du Huronien qui a débuté pendant le Sidérien se poursuit pendant la plus grande partie du Rhyacien, jusqu'en -2 100 Ma.

La seconde moitié de l'Orosirien (2050Ma à 1800 Ma) est marquée par une intense orogenèse sur l'ensemble des terres émergées. Par ailleurs, l'atmosphère s'est considérablement enrichie en oxygène du fait de la photosynthèse des cyanobactéries. Un premier évènements d'impact, estimé vers -2 023 Ma, a donné lieu au Dôme de Vredefort. Un second, vers -1 850 Ma, a produit la structure du bassin de Sudbury.

Lors du Stathérien (1800Ma à 1600 Ma), il se produit la formation de nouveaux plateaux continentaux et de grands Protons, ou le début de la formation du supercontinent Columbia, et l'apparition des eucaryotes. Les cellules eucaryotes possèdent, par opposition aux procaryotes (archéobactéries et eubactéries) des organites, divisant l'espace cellulaire en compartiments spécialisés, tels le noyau (contenant l'ADN), et les mitochondries, le réticulum endoplasmique, l'appareil de Golgi, les lysosomes, les peroxysomes, les chloroplastes et les vacuoles (chez les plantes).

Le Mésoprotérozoïque (1600Ma – 1000Ma)

Le Mésoprotérozoïque est la deuxième ère du Protérozoïque. Le supercontinent Rodinia se forme ; la reproduction sexuée apparaît. Les premiers Acritarches (microfossiles à paroi organique, que l'on trouve dans des sédiments marins et/ou associés à des organismes marins) et les premiers eucaryotes modernes apparaissent.

Il semblerait que les supercontinents se forment par cycles, se rassemblant et se fragmentant par le jeu de la tectonique des plaques tous les 250 millions d’années.

Les paléographes emploient le terme de supercontinent pour désigner une masse continentale regroupant tous les continents actuels. Rodinia qui contient la plupart ou toutes les masses continentales de cette époque, s'est formé il y a environ 1100 millions d'années. Les mouvements continentaux avant sa formation sont mal connus. Il y a 750 millions d'années il se scinde en huit continents dont la dérive formera le super-continent Pangée.

Le Néoprotérozoïque (1000Ma – 542Ma)

Le Néoprotérozoïque est la troisième et dernière ère du Protérozoïque. Cette ère couvre une période de temps pendant laquelle on trouve des fossiles de métazoaires, mais seules des algues et éponges peuvent être reconnues à partir de leurs formes modernes.

On considère que cette ère est l’objet de déplacement continentaux complexes. Le supercontinent Rodinia s’est fragmenté en probablement huit pièces distinctes, engageant une phase active de tectonique des plaques.

Lors du Cryogénien (850Ma à 630 Ma), période suivant le Tonien et précédant l'Édiacarien, deux glaciations sévères se produisent, une vers 750 Ma et l’autre vers 600 Ma. Durant le Sturtien (850Ma à 650Ma), premier étage du cryogénien, on assiste au début d'une glaciation qui se termine à la fin du Varangien (630Ma) : pour certains, cette glaciation aurait couvert l'ensemble de la planète ne laissant pas d'eau libre, tandis que pour d'autres, une bande océanique autour de l'équateur n'aurait pas gelé. La population d'acritarches diminua fortement durant cette glaciation et il semblerait que les niveaux d'oxygène ait augmenté peu après la fin de la glaciation.

On parle de faune de l'Édiacarien (630Ma à 542 Ma) : les métazoaires sont le nom moderne du taxon constitué par les animaux (membres du règne animal) multicellulaires. Les métazoaires sont des organismes eucaryotes multicellulaires mobiles hétérotrophes (ils tirent leur énergie de la matière vivante déjà constituée) apparus il y a 950 millions d’années. Schématiquement, les métazoaires sont des ensembles de cellules constituant un milieu intérieur de composition contrôlée, séparé du milieu extérieur.