Het Paleozoïcum begint na het Pre-Cambrium ongeveer 297 miljoen jaar geleden en eindigt met het begin van de Mesozoïcumperiode ongeveer 250 miljoen jaar geleden. Elk belangrijk tijdperk op de Geologische tijdschaal is verder opgesplitst in perioden die worden bepaald door het type leven dat in die tijd is geëvolueerd. Soms zouden periodes eindigen wanneer een massa uitsterving zou in die tijd een meerderheid van alle levende soorten op aarde tenietdoen. Nadat Precambrian Time was geëindigd, vond er een grote en relatief snelle evolutie van soorten plaats die de aarde bevolkten met veel verschillende en interessante levensvormen tijdens het paleozoïcum.
De eerste periode in het Paleozoïcum staat bekend als de Cambriumperiode. Veel van de voorouders van de soort die zijn geëvolueerd tot wat we nu kennen, zijn voor het eerst ontstaan tijdens de Cambrische explosie in de vroege millennia van deze periode. Hoewel deze "explosie" van leven miljoenen jaren heeft geduurd, is dat een relatief korte tijd vergeleken met de hele geschiedenis van de aarde.
Op dit moment waren er verschillende continenten die anders waren dan die we tegenwoordig kennen, en al die landmassa's waren ineengedoken op het zuidelijk halfrond van de aarde. Hierdoor ontstonden zeer grote oceaanoppervlakten waar het zeeleven in een vrij snel tempo kon gedijen en differentiëren. Deze snelle soortvorming leidde tot een niveau van genetische diversiteit van soorten die nog nooit eerder was gezien in de geschiedenis van het leven op aarde.
Bijna al het leven werd tijdens de Cambrische periode in de oceanen gevonden: als er al leven op het land was, was het beperkt tot eencellige micro-organismen. Fossielen uit het Cambrium zijn over de hele wereld gevonden, hoewel er drie grote gebieden zijn die fossiele bedden worden genoemd, waar de meerderheid van deze fossielen is gevonden. Die fossiele bedden bevinden zich in Canada, Groenland en China. Er zijn veel grote vleesetende schaaldieren geïdentificeerd, vergelijkbaar met garnalen en krabben.
Na het Cambrium kwam de Ordoviciumperiode. Deze tweede periode van het paleozoïcum duurde ongeveer 44 miljoen jaar en zag meer en meer diversificatie van het waterleven. Grote roofdieren vergelijkbaar met weekdieren smullen van kleinere dieren op de bodem van de oceaan.
Tijdens de Ordoviciumperiode, meerdere en vrij snel veranderingen in het milieu heeft plaatsgevonden. Gletsjers begonnen zich van de polen naar de continenten te verplaatsen, waardoor de zeespiegel aanzienlijk daalde. De combinatie van de temperatuurverandering en het verlies van oceaanwater resulteerde in een massale uitsterving die het einde van de periode markeerde. Ongeveer 75% van alle levende soorten stierf toen uit.
Na de massale uitsterving aan het einde van de Ordovicium-periode moest de diversiteit van het leven op aarde zich een weg omhoog banen. Een grote verandering in de lay-out van de aarde was dat de continenten met elkaar begonnen samen te smelten, waardoor er zelfs een meer ononderbroken ruimte in de oceanen zodat het leven in zee kan leven en bloeien terwijl ze evolueerden en gediversifieerd. Dieren waren in staat om dichter bij de oppervlakte te zwemmen en te voeden dan ooit tevoren in de geschiedenis van het leven op aarde.
Er waren veel verschillende soorten kaakloze vissen en zelfs de eerste vinvis met roggen. Terwijl het leven op het land nog steeds ontbrak buiten de eencellige bacteriën, begon de diversiteit te herstellen. Zuurstofniveaus in de atmosfeer waren ook bijna op onze moderne niveaus, dus het toneel werd klaargemaakt om meer soorten soorten en zelfs landsoorten te laten verschijnen. Tegen het einde van de Siluurperiode werden op de continenten enkele soorten vaatplanten en de eerste dieren, de geleedpotigen, gezien.
Diversificatie was snel en wijdverbreid tijdens het Devoon. Landplanten kwamen vaker voor en omvatten varens, mossen en zelfs zaadplanten. De wortels van deze vroege landplanten hielpen om verweerde rotsen in de grond te maken en dat creëerde nog meer kansen voor planten om wortel te schieten en op het land te groeien. Tijdens het Devoon werden ook veel insecten gezien. Tegen het einde trokken amfibieën het land op. Omdat de continenten nog dichter bij elkaar kwamen, konden de nieuwe landdieren zich gemakkelijk verspreiden en een niche vinden.
Ondertussen, terug in de oceanen, hadden kaakloze vissen zich aangepast en geëvolueerd om kaken en schubben te hebben zoals de moderne vissen die we tegenwoordig kennen. Helaas eindigde het Devoon-tijdperk toen grote meteorieten de aarde troffen. Er wordt aangenomen dat de impact van deze meteorieten een massale uitsterving veroorzaakte die bijna 75% van de geëvolueerde waterdierensoorten vernietigde.
Het Carboon-tijdperk was een tijd waarin de soortendiversiteit opnieuw moest worden opgebouwd na een eerdere massale uitsterving. Omdat de massale uitsterving van het Devoon grotendeels beperkt was tot de oceanen, bleven landplanten en dieren gedijen en evolueerden in een snel tempo. Amfibieën pasten zich nog meer aan en splitsten zich op in de vroege voorouders van reptielen. De continenten kwamen nog steeds samen en de zuidelijkste landen werden opnieuw bedekt met gletsjers. Er waren echter ook tropische klimaten waar landplanten groot en weelderig werden en evolueerden tot vele unieke soorten. Deze fabrieken in de moerassige moerassen zijn degenen die zouden vervallen in de kolen die we nu in onze moderne tijd gebruiken voor brandstoffen en andere doeleinden.
Wat het leven in de oceanen betreft, het tempo van evolutie lijkt duidelijk langzamer te zijn geweest dan voorheen. Terwijl de soort die de laatste massale uitsterving wist te overleven, bleef groeien en zich vertakte in nieuwe, vergelijkbare soorten, kwamen veel van de soorten dieren die verloren waren gegaan met uitsterven nooit meer terug.
Eindelijk, in de Perm periode, kwamen alle continenten op aarde volledig samen om het supercontinent Pangea te vormen. Tijdens de vroege delen van deze periode bleef het leven evolueren en ontstonden er nieuwe soorten. Reptielen waren volledig gevormd en ze splitsten zich zelfs af in een tak die uiteindelijk aanleiding zou geven tot zoogdieren in het Mesozoïcum. De vissen uit de zoute oceanen zijn ook aangepast om te kunnen leven in de zoetwaterzakken op het hele continent Pangaea, waardoor zoetwaterdieren ontstaan.
Helaas kwam er een einde aan deze tijd van soortendiversiteit, mede dankzij een overvloed aan vulkanisch explosies die zuurstof verarmden en het klimaat beïnvloedden door het zonlicht te blokkeren en grote gletsjers toe te staan overnemen. Dit alles leidde tot de grootste massa-uitsterving in de geschiedenis van de aarde. Er wordt aangenomen dat 96% van alle soorten volledig werd weggevaagd en dat het paleozoïcum eindigde.