4.38亿年前志留纪(4.38——4.1亿年前)开始，南极冰盖消融，低等维管束植物开始登上陆地，裸蕨类和石松类是目前已知最早的陆生植物。到4.1亿年前，昆虫和蛛形类节肢动物出现，大海中也增加了有颌骨的鱼类--棘鱼类，三叶虫衰退，板足鲎类成为海洋最大的动物。
到泥盆纪(4.1——3.54亿年前)，温带气候使得陆地和海洋的生物更加繁荣。这是“鱼类时代”，海洋被脊椎动物中鱼类，包括甲胄鱼、盾皮鱼、总鳍鱼等占领，蕨类和原始裸子植物出现。但到3.65亿年前泥盆纪晚期，气候再次冰冷，海洋生物再次面临巨创，这是地球第二次大灭绝事件。
石炭纪(3.54——2.95亿年前)中气温忽冷忽热，陆地覆盖蕨类植物森林，这些鳞木目和封印木属的植物是今天煤炭主要来源。泥盆纪时的无翼昆虫已经进化为有翼昆虫，辐鳍鱼类统治海洋，还出现苔藓虫动物门和单细胞动物希瓦格蜓和纺锤蜒，两栖动物出现。
似哺乳爬行动物兽孔类出现在二叠纪(2.95——2.5亿年前)二叠纪中、晚期和三叠纪，软骨鱼类和硬骨鱼类出现许多新种类，二叠纪晚期，四射珊瑚、横板珊瑚、筳类、三叶虫全都绝灭;腕足类也只剩少数种类。
二叠纪末，海平面下降、大陆漂移，生态系统遭到严重破坏，地球爆发了第三次物种大灭绝，这也是地球历史上最严重的大灭绝事件。95%的海洋生物和75%的陆地脊椎动物灭绝。此次彻底灭绝的动物包括：三叶虫、海蝎、重要珊瑚类群、陆栖单弓类群动物和许多爬行类群。
