古生代的開端是寒武紀，這是壹個以前所未有的生物進化和奇特的海洋生物多樣性為標誌的時期。1000 ~ 3000萬年期間，海洋生物迅速發展，地球上所有生物的雛形出現。因此，這個時期被稱為寒武紀大爆發或生物大爆發。甲殼類、貝類、海膽、海綿、珊瑚、蠕蟲等生物的祖先都誕生了。生物第壹次開始利用海水中的礦物質，如二氧化矽、碳酸鈣和磷酸鈣，來制造貝殼或骨骼。也就是說，生物進化出了堅硬的部分，比如殼、刺、鱗。
最早有堅硬部分的動物種群是小型甲殼動物；它們中的壹些與現代生物相似，而另壹些則有奇怪的小葉子、管子、鱗片和帽子。斯蒂芬·高爾德(Stephen Gauld)在他富有啟發性的著作《神奇的生命:代表性的頁巖和歷史的本質》中指出，古生物學家尷尬地將這些最早的令人困惑的生物稱為“小型甲殼動物群落”，並帶著尊重的坦率。隨著時間的推移，小型甲殼動物群落消失了，但不久之後，最著名的寒武紀動物種群出現了，這就是爬行三葉蟲。對三葉蟲特別感興趣的人稱寒武紀為三葉蟲時代。
三葉蟲以其橢圓形和三片式身體命名，在接下來的1億年裏統治著海洋。三葉蟲遍布海底，很多很小，長度不到20厘米；而另壹些則更大，長達半米。大多數三葉蟲在海底爬行覓食，有些還會遊泳；所有三葉蟲都捕食粗心的小動物。鱟是其食肉三葉蟲祖先某些部分的相似性。
在三葉蟲之後，出現了大量的其他甲殼動物、像貽貝壹樣的腕足動物、棘皮動物和壹種奇怪的帶有堅硬鈣質骨骼的圓錐形海綿。腕足動物是壹種濾食性、有殼的生物，類似貽貝，靠軸或刺生活在海底，或者只是棲息在海底。棘皮動物因其多刺的表皮而得名，包括海膽、海星和花狀海百合。他們是無頭生物。不知前後，現代棘皮動物都是五邊形對稱的。寒武紀的海洋充滿了爬行的、穴居的、少數遊泳的、壹些浮遊的和底棲的動物。珊瑚開始生長，形成原始的珊瑚礁，水母隨波漂流在珊瑚礁上。雖然寒武紀大爆炸中發展的許多生命形式是現代海洋生物的祖先，但壹些科學家認為，其他外來生物永遠不會在海洋中重現。
現在，世界各地都發現了寒武紀化石。伯吉斯頁巖是加拿大不列顛哥倫比亞省南部落基山脈的露頭。它的巖層是研究寒武紀海洋最早、最著名、最有爭議的窗口。1909年，史密森學會秘書查爾斯·伍爾科特(Charles Woollcott)首次發現了伯吉斯頁巖的化石。在家人的幫助下，他花了幾年時間在伯吉斯頁巖的黑色地層中挖掘化石，最終向史密森尼國家自然歷史博物館提供了超過65000個化石標本。隨後的研究表明，伯吉斯頁巖的動物曾經生活在高聳的石灰巖懸崖邊緣的巨大珊瑚礁上，然後它們在壹場猛烈的水下泥漿滑坡中被殺死並在短時間內被埋葬。他們形成的化石不僅包含了最早的堅硬生物的證據，還包含了古生物學家夢寐以求的豐富多樣的軟體動物化石。Woollcott最終確定了我們現在知道的170個物種中的100個。壹些科學家批評伍爾科特，因為他試圖根據現代海洋中的身體結構來劃分古代生物。但是伍爾科特對我們理解古代海洋的巨大貢獻是無可爭議的。
在伍爾科特工作後的幾十年裏，科學家們很少關註伯吉斯頁巖化石。20世紀60年代末，由古生物學家哈裏·惠廷頓(Harry Whittington)和他的兩個學生布裏格斯(Briggs)和莫裏斯(Morris)領導的英國劍橋的壹個廣泛的研究小組，開始對化石收集地點和在伍爾科特收集的伯吉斯頁巖化石進行廣泛的重新調查。他們用精密的顯微鏡詳細觀察了伯吉斯頁巖化石。壹個牙鉆也被用來揭開被硬化沈積物覆蓋多年的化石表面。隨著研究的發展，以前從未見過的生物開始出現在黑色頁巖中。在高爾德對伯吉斯頁巖化石的精彩描述中，他強調了這些“不可思議的奇跡”的奇特性質。
圍繞伯吉斯頁巖有許多爭議:它們對進化意味著什麽，它們是現代生命形式的祖先，還是僅僅代表導致滅絕的不成功原型。布裏格斯最初將壹種動物描述為多毛類環節動物——壹種分節的蠕蟲。後來，莫裏斯發現這種動物軀幹上的刺不像任何多毛類動物。在意識到這種動物的奇怪屬性後，他將其命名為Mlucigenia。1977年，莫裏斯將這種動物畫成壹種蠕蟲狀的生物，背上有七條擺動的觸角，用柱狀的刺行走。20世紀90年代初，在研究了保存完好的中國標本後，科學家們給出了另壹種解釋。他們認為莫裏斯所畫的實際上是上下顛倒的。這種動物實際上是壹種類似毛毛蟲的生物，背上有刺用於自衛，長觸角用於爬行。但莫裏斯把它的腹部當成了自己的後背，把自己的後背當成了自己的腹部。現在，莫裏斯和其他科學家認為這種動物是現代節肢動物的祖先，如螃蟹、蜘蛛和昆蟲。伯吉斯頁巖中的另壹種動物是Anomalocaris，即“奇怪的蝦”。它可以達到半米長，是最大的，也可能是最貪得無厭的動物。它有壹個眼柄，壹個類似於烏賊的身體，壹張圓圓的嘴，壹個齒狀的下巴和與頭部相連的巨大四肢。其強大的下顎和掠奪性為其贏得了“三葉蟲時代的恐怖分子”的稱號。起初，人們認為這種奇怪的蝦與現代物種無關，但現在壹些科學家認為它可能也與節肢動物有早期親緣關系。關於寒武紀時期在布裏格斯化石收集點和其他地方發現的這些令人難以置信的奇跡的研究和爭議仍在繼續。
讓我們回到古生代海洋早期，出現的人物變成了許多陌生又熟悉的海洋生物。奇怪的刺和甲殼類動物在海裏遊蕩，喇叭狀和圓盤狀的珊瑚、圓錐狀的海綿和數不清的貽貝腕足動物散布在海底。苔蘚蟲，通常被稱為“苔蘚蟲”，在巖石和礫石堆上覆蓋著壹層彩色的碳酸鈣分泌物；橙色、紫色和綠色的群落有助於不斷增加的石灰石的形成。被稱為介形蟲的小而簡單的甲殼類動物與扁平的管狀有孔蟲壹起生活在這些沈積物中。有孔蟲是壹種單細胞阿米巴樣生物，有壹個小的鈣質外殼。在古生代，它們都生活在海底。之後出現了新的浮遊物種。海底沈積物中保存的有孔蟲小貝殼，最終將成為科學家研究地球歷史的無價之寶。
在海洋的開闊海域，微小的浮遊動物和浮遊植物也變得豐富多樣。放射蟲出現了，這是壹群有著美麗矽殼的小型浮遊動物。這時，幾乎所有保存了硬件部分的主要無脊椎動物都出現了。
是什麽導致了寒武紀海洋中生命的快速繁榮？科學家提出了幾個假設。壹種理論基於達爾文的進化論，認為生命的多樣性是種間競爭和自然選擇的結果:適者生存的典型例子。只有那些進化出保護殼或硬件部分的生物才能在新的饑餓掠食者的屠殺中存活下來。然而，這壹時期的進化速度似乎並不符合達爾文自然選擇的漸進過程。還有壹種理論認為環境變化加速了寒武紀生命的繁榮。此時早期超大陸已經分裂，海陸分布格局發生變化。氧氣濃度的增加和氣候的變暖使得新的海洋更有利於生命的存在，也可能是大陸的運動擴大了海域面積，為特殊的生命形式提供了更多的棲息地。第三種理論認為，這壹時期發生了災難性的小行星撞擊，改變了海洋的條件，為生命的繁榮掃清了道路。也有人認為性別的出現才是生物學大繁榮的真正原因。在有性生殖之前，生物基本上是通過自我分裂進行繁殖的，這是壹種簡單混合遺傳物質產生變化的方式。有性生殖後，遺傳物質可以在物種內部快速混合，變異更快，進化成新的生命形式。幾乎沒有證據支持上述任何壹種理論；但幾乎可以肯定的是，科學家們將繼續尋找這些“為什麽？”答案。
4.5億年前，古老的海洋中不僅充滿了爬行的三葉蟲，還有許多更大更強大的捕食者。頭足類動物和像魷魚壹樣的魚類開始出現。最初的魚是像鰻魚壹樣沒有下顎的生物。他們沿著海底遊泳，大口大口地喝著富含有機物的水和泥。這些早期魚類的現代代表是七鰓鰻和盲鰻，它們更適合被稱為泥鰍，因為它們在被捕獲時會滲出大量的淤泥。許多早期的魚很小，有壹層由壹層骨鱗和保護板組成的“殼皮”。貝殼的表皮很重，它們只能在海底附近活動，由於缺少鰭，它們的靈活性受到限制。後來，魚進化出下顎，成為優秀的遊泳者和更有能力的掠食者。壹些物種會保持較小，全身都是刺，而另壹些物種會開始變大。最早的有顎魚無論如何都是怪物，體長9米，巨大的下顎可以壹口吞下獵物。鯔魚是另壹種原始的有頜魚類，壹度被認為已經滅絕，但在20世紀30年代，壹艘拖網漁船在馬達加斯加南部捕獲了壹條鯔魚。後來，在印度尼西亞和印度洋的深水區也捕捉到了梭魚。狗魚的尾巴是藍灰色的，有銀色的條紋和大的板狀鱗片。因為4億年沒有變化，所以被稱為活化石。幾個科學家固執地收集和研究活著的狗魚，但沒有壹個成功。
有人認為，大約4.4億年前，地球經歷了壹次巨大的氣候變化。在北非、巴西和阿拉伯半島發現的冰河時代遺跡表明，此時地球又進入了冰河時代。海洋中的水凍結成不斷擴大的冰蓋，導致海平面急劇下降，許多淺海棲息地逐漸消失。有些生物被壹掃而光，有些幸存下來並逐漸恢復——這個過程在地球歷史上反復上演。生命發展並變得多樣化，然後周期性地受到壹次毀滅性事件的重創，這種毀滅性事件是如此之大，以至於導致壹次又壹次的生物災難；壹些生命形式被摧毀，而另壹些幸存下來並開始恢復、繁殖和繼續進化過程。
大約4億年前的泥盆紀早期，頜魚的基本結構適合其幼年環境，在海洋中占據主導地位。壹種奇特的泥盆紀魚類，有著和現代魚類壹樣的結構——鯊魚壹樣的尾巴；身體的前半部分是原始的，被壹層骨殼覆蓋著。它的腿像螃蟹，它的眼睛和嘴巴像青蛙。隨著時間的推移，這種早期魚類厚重的殼板完全消失，取而代之的是更輕、更柔韌的鱗片。有趣的是，科學家認為鯊魚和所有其他脊椎動物(包括人類)的牙齒都是從這些早期魚類的鱗片或護板進化而來的。
數百萬年來，三葉蟲和棘皮動物等無脊椎動物統治著海洋，但它們的靈活性受到外骨骼的限制。當魚類出現內骨骼時，它們具有生存優勢。內骨骼使魚長得更大更強壯。魚已經成為更好的遊泳者。它們更靈活，更平滑，遊得更快。它們有雙鰭，所以可以停下來，轉彎和使用技能，就像飛機或潛艇壹樣；它們的雙鰭還可以防止滾動、顛簸和偏航。
鯊魚是壹種軟骨魚類，也出現在古生代。原始鯊魚與現代鯊魚相似，也有很長的身體，巨大的三角形鰭和尾巴，尾巴葉向上聳起。早期的鯊魚有兩個背鰭和壹對胸鰭，有些在前面的背鰭上有壹個多骨的脊椎或刷子狀的結構。每壹個鯊魚頜都伴隨著壹層像傳送帶壹樣的牙齦組織。在鯊魚的周期性牙齦中，逐漸產生由磷酸鈣制成的尖齒。由於物種不同，鯊魚牙齒的更換周期是幾天，有的是幾周。因為鯊魚和斑馬魚沒有真正的骨骼，所以對它們遠古祖先的認識主要來自牙齒化石，偶爾我們也能從組成鯊魚皮膚的微小牙齒中了解到壹些信息。鯊魚牙齒化石非常豐富——因為鯊魚壹生可以長出數千顆牙齒。
帶刺的魚和鯊魚擴大了它們的生存空間，它們的種類變得多樣化。壹些早期的魚甚至來到陸地上，生活在潮濕的泥地裏。原始肺魚，因其副肺而得名，能呼吸空氣，用壹對強有力的鰭在陸地上蹣跚而行。不難想象肺魚後來是如何進化成陸生生物的。
大約4億年前，地球的外貌開始發生變化。植物從海底世界出現，來到陸地。天空中開始出現最早的昆蟲，動物開始在海邊遊蕩，苔蘚和蕨類植物讓原本貧瘠的土地披上了壹層新的綠色，森林開始出現。大片的沼澤取代了早期的海洋環境，廣闊的沙漠地區刮起了幹燥的風。遺憾的海洋和海岸帶之間的競爭變得激烈，動物被迫遷移到陸地上尋求穩定的環境和新的食物來源。最早離開潮濕世界的生物是早期兩棲動物的祖先——現代的青蛙、蟾蜍和蠑螈。它們的化石和保存下來的遺骸表明，它們通常生活在溪流和沼澤中，捕食昆蟲、魚類和同類，但偶爾也會冒險到幹燥的陸地上。兩棲動物不能壹直遠離水，因為它們想回到海洋產卵。它們向陸地動物的轉變還沒有完成。對於海洋生物來說，他們從海洋到陸地的第壹次旅程就像壹場噩夢——太陽的熱量，重力不可避免的阻力，奇怪的食物和未知的捕食者。但畢竟生命存活了下來，動物進化出了適合陸地生活的骨骼和細胞結構。
大約3億年前，真正的陸地生物——爬行動物首次出現。與兩棲動物不同，爬行動物產下的卵有壹層堅韌的鈣質外殼，這使得它們可以在陸地上產卵，因此它們不必定期返回海洋。最早的爬行動物是看起來像蠑螈的小動物。但它們生長分化很快，有的變成食草動物，以植物為食；其他的變成食肉動物，以肉為食。壹些大型蜥蜴的背上有壹個大扇形的“尾巴”，可能是用來調節體溫的:它是大自然最初創造的太陽能電池板。
在2.7億年前的二疊紀，古生代結束了。地球舞臺上扮演的角色名單又滿了；海洋中的生命熙熙攘攘，欣欣向榮。氣候變暖，淺海覆蓋了地球表面的許多區域。此時的海洋環境有利於海洋中生物的生長。濾食性生物主宰著海底。高大如花的海百合隨著水流漂浮，有時高達3米。海百合是海洋中的百合。它們的花柄呈圓柱形，又細又長。這些莖由大小合適的石灰石圓盤組成，頂端有壹簇觸須。數百只腕足動物成群結隊地呆著不動，用它們蛤蜊般的身體過濾海水。苔蘚蟲在廢墟上繁殖，建立起五顏六色的種群，有的像小樹枝，有的像扇子，有的像人的手指。在珊瑚礁上，珊瑚不如其他制造石灰石的生物。海綿、苔蘚蟲、藻類和有孔蟲可以堆積成巨大的石灰石結構。這些由碳酸鈣構成的海底山丘不斷生長，到處都有海洋生物。有的在爬行，有的在巡航，有的還在靜止。帶刺的魚和軟骨鯊魚也在擴張和分化。甚至沼澤裏也滿是鯊魚，像鰻魚壹樣，有著巨大的下顎和壹對尖牙。海洋充滿了生命:巨大的珊瑚礁擠滿了海洋生物，表層水流密布著浮遊植物，大量的魚類分布在地球的水域中。
但是大約2.5億年前，發生了壹個事件，幾乎消滅了地球上所有的生命。大滅絕拉下了二疊紀和古生代末期的帷幕。在這場大滅絕中，當時存在的所有物種90%被殺死，地球上最後壹次生物大重組開始了。三葉蟲、幾種甲殼動物和珊瑚已經完全消失了。小有孔蟲消失，腕足動物、苔蘚蟲、海百合和魚類也損失慘重。在陸地上，兩棲動物和昆蟲的數量急劇減少。
許多人認為二疊紀末的滅絕發生在壹個相對較短的時期，大約幾百萬年，但沒有人找到確切的證據來解釋為什麽會發生這種情況。這場生物災難有幾種解釋，包括氣候的巨變、海平面的急劇下降、缺氧水的上湧、有毒物質的出現以及生物鏈中幾個關鍵物種的消失。最近的研究表明，二疊紀大滅絕實際上發生在50萬年內，這使得壹些科學家得出結論，大滅絕是由壹顆巨大的小行星或彗星撞擊地球引起的。其他科學家認為二疊紀末的滅絕與大陸結構的變化和地球深處火山活動的加劇有關。