North Carolina heeft een gemengde geologische geschiedenis: van ongeveer 600 tot 250 miljoen jaar geleden was deze staat (en nog veel meer van wat de zuidoostelijke Verenigde Staten) was ondergedompeld onder een ondiep water en dezelfde situatie gold voor een groot deel van het Mesozoïcum en het Cenozoïcum Tijdperken. (Het was alleen tijdens de Trias periode dat aardse leven in North Carolina had een langere tijd om te bloeien.) Dit betekent echter niet dat North Carolina helemaal verstoken was van dinosauriërs en het prehistorische leven.
Hypsibema leefde de laatste tijd Krijt periode, een van de weinige perioden waarin het grootste deel van North Carolina boven water lag. Het is de officiële staatsdinosaurus van Missouri, maar fossielen van Hypsibema zijn ook ontdekt in North Carolina. Helaas dit hadrosaurus (eend-billed dinosaurus) is wat paleontologen a noemen nomen dubium: het was waarschijnlijk een individu of soort van een reeds genoemde dinosaurus en verdient daarom zijn eigen geslacht niet.
Aangekondigd aan de wereld in 2015, Carnufex (Grieks voor "slager") is een van de vroegst geïdentificeerde crocodylomorfen - de familie van prehistorische reptielen die in het midden van archosauriërs afweken Trias periode en leidde tot moderne krokodillen - en ongeveer 10 voet lang en 500 pond, zeker een van de grootste. Omdat dinosauriërs het midden van Trias Noord-Amerika nog niet hadden bereikt vanuit hun voorouderlijke Zuid-Amerikaanse habitat, was Carnufex misschien wel het toproofdier van Noord-Carolina!
Niet helemaal een dinosaurus, en niet helemaal een prehistorische krokodil (ondanks de "suchus" in zijn naam), Postosuchus was een splay-legged, halve ton archosaur dat de laatste tijd wijd verspreid was in Noord-Amerika Trias periode. (Het was een populatie van archosauriërs die ongeveer 230 miljoen jaar geleden in Zuid-Amerika de allereerste dinosauriërs voortbracht.) Een nieuwe Postosuchus-soort, P. alisonae, werd ontdekt in North Carolina in 1992; vreemd genoeg zijn alle andere bekende Postosuchus-exemplaren veel verder naar het westen opgegraven, in Texas, Arizona en New Mexico.
De verspreide overblijfselen van Eocetus, de 'dageraadwalvis', werden eind jaren negentig in North Carolina ontdekt. Zo vroeg Eoceen- walvis, die ongeveer 44 miljoen jaar geleden leefde, beschikte over rudimentaire armen en benen, een momentopname van de vroege stadia van evolutie van walvissen voordat deze semi-aquatische zoogdieren zich hadden aangepast aan een volledig aquatisch bestaan. Helaas is er niet veel bekend over Eocetus in vergelijking met andere vroege walvisvoorouders, zoals de ongeveer hedendaagse Pakicetus van het Indiase subcontinent.
Zatomus, een naaste verwant van Postosuchus, werd halverwege de 19e eeuw genoemd door de beroemde paleontoloog Edward Drinker Cope. Technisch gezien was Zatomus een "rauisuchiaanse" archosaurus; de ontdekking van slechts één fossiel exemplaar in North Carolina betekent echter dat het waarschijnlijk een nomen dubium (dat wil zeggen een exemplaar van een reeds bestaand archosaur-geslacht). Hoe het ook wordt geclassificeerd, Zatomus was waarschijnlijk een naaste verwant van een bekendere archosaurus, Batrachotomus.
North Carolina heeft een aantal van de oudste geologische formaties in de Verenigde Staten, waarvan sommige dateren van voorCambrian tijden (meer dan 550 miljoen jaar geleden) toen vrijwel al het leven op aarde beperkt was tot de oceanen. Het mysterieuze Pteridinium was, zoals veel zogenaamde "ediacarans", een trilobietachtig wezen dat waarschijnlijk op de bodem van ondiepe lagunes leefde; paleontologen weten niet hoe deze ongewervelde zich bewoog of zelfs wat hij at.