Начало палеозоя связано с кембрийским эволюционным взрывом: в раннем кембрии, примерно за 20 млн лет, в летописи окаменелостей быстро увеличилось разнообразие животных и появилось множество новых планов строения тела.

Появились новые типы животных, например хордовые и членистоногие. Для сравнения: чтобы простейшие клетки развились в многоклеточные организмы, понадобилось более 3 млрд лет. Частью кембрийского эволюционного взрыва считается скелетная революция (многие существа обзавелись минеральным остовом). У животных заметно развились органы чувств и мозг.
В 1837 г. палеозой (толкуется как «эра древней жизни») выделил английский геолог Адам Седжвик
Сложилась четкая структура взаимоотношений «жертва — хищник». Первые развивались по пути совершенствования защитных механизмов, вторые — учились быстрее бегать, плавать, оттачивали средства нападения. Одна из ведущих тенденций палеозоя в развитии фауны — постепенный переход животных от полностью водного образа жизни к сухопутному.
Завершился массовым пермским вымиранием (длилось 60 тыс. лет): гибель 96% морских видов животных, 70% наземных видов позвоночных.
К наиболее известным животным этого периода относятся:
Первые амниоты появились более 300 млн лет назад от древних четвероногих. Легкие возникли значительно раньше и уже были у их предков. Главным преимуществом амниот стало размножение, меньше зависевшее от открытой воды: амниотическое яйцо и другие изменения покровов и физиологии позволили осваивать более сухие наземные местообитания.
Материки Земли постоянно движутся. Периодически они образуют огромные сверхконтиненты, которые затем распадаются на части. Перед началом палеозоя существовавший ранее сверхконтинент Паннотия разделился на независимые материки, но затем они снова начали дрейфовать навстречу друг другу. В конце эры на планете появился новый суперконтинент — Пангея.
Эра включает шесть периодов кембрий, ордовик, силур, девон, карбон (каменноугольный период) и пермь (пермский период).
С этого периода начинается палеозойская эра. Жизнь сосредоточена в морских глубинах. Многие животные были настолько необычными, что ученые не могут отнести их ни к одной из известных групп живых существ. В кембрии появились почти все существующие сегодня типы животных, обладающих скелетом. На морском дне возникли и первые почвенные беспозвоночные — многоножки и черви.
Флора морских глубин представлена разнообразными водорослями. На земной поверхности появляются первые растения. Фауна становится все многообразнее, возникают новые виды животных. Жизнь кипит не только в морях — древние существа все активнее осваивают пресноводные водоемы. К концу периода около 60 % морских организмов вымирает.
Одно из важнейших событий периода — повсеместное распространение на суше сосудистых растений, способных проводить через ткани питательные вещества. К таковым относятся все современные растения, кроме мхов. В морях большое распространение получают разнообразные виды рыб.
В девоне существовало огромное разнообразие рыб. Около 375 млн лет назад некоторые лопастеперые позвоночные уже имели конечности и признаки, позволявшие использовать мелководья и временами опираться на дно или выходить на сушу. От этой эволюционной линии произошли первые четвероногие; ранние формы по-прежнему были тесно связаны с водой. Конец девона сопровождался серией массовых вымираний.
Карбон характеризуется достаточно благоприятными условиями для дальнейшего развития растительного и животного мира. Широко распространяются споровые растения — хвоще- и папоротниковидные, голосеменные и др. Среди животных одну из ведущих ролей играют амфибии, эволюция которых приводит к появлению первых рептилий.
В перми быстро разнообразились две крупные линии амниот — синапсиды и завропсиды. К синапсидам относились терапсиды, среди потомков которых позднее возникли млекопитающие; среди завропсид развивались линии, связанные с будущими архозаврами и другими рептилиями. Период закончился крупнейшим известным массовым вымиранием.