在寒武纪前期两三千万年的较短时间内，几乎所有现代动物的祖先都出现了，这也被称为“寒武纪生命大爆发”。附肢等结构出现使动物的运动能力显著提高，坚硬的外骨骼起到了保护作用等等；分节的液压型身体是这个时代较为有代表性的结构，并以此为基础演化出了后来的节肢动物。此外，脊椎动物的祖先也正在静静地演化着，但此时它们还很弱小。

三叶虫、笔石等遍布海洋，最古老的脊椎动物——甲胄鱼、丰娇昆明鱼等也在这时候开始出现。奥陶纪是脊椎动物快速演化的时代，约4.6亿年前时，颌演化产生了，它使得脊椎动物具有了咬的能力，觅食能力大为加强。从约4.5亿年前开始，地球进入了安第-撒哈拉冰期，气温的下降造成了显生宙历史上的第一次生物大灭绝。之后冰川缓慢退去，到约4.2亿年前冰期才最终结束。

动植物开始纷纷从海洋登上陆地。植物开始加厚自己的细胞壁，并且在中央形成支撑结构，以便在没有浮力支持的陆地生活。陆生蕨类植物首次出现。在浅海和海岸的海洋节肢类动物尝试着在陆地上活动，它们就如今天的螃蟹一般活跃在岸边。约4.25亿年前时，早期硬骨鱼类出现，这类鱼具有了原始的肺和灵活的关节。

蕨类植物和裸子植物形成的森林在陆地上持续扩张。约4亿年前，早期的昆虫出现。这一时期的鱼类非常兴盛，约3.7亿年前其中的肉鳍鱼类成功登上陆地，成为早期四足动物。因为森林的崛起，大气中的二氧化碳持续减少，全球气温下降，同时陆地岩石风化加速，大量无机盐进入海洋，海水富营养化，藻类大量繁殖而导致的海洋缺氧，发生了显生宙历史上的第二次生物大灭绝。

陆生脊椎动物进一步发展，约3.1亿年前，产羊膜卵的四足动物，也就是早期爬行动物出现。蛛形动物和昆虫的体型变大，种类增多，巨型蜻蜓飞翔在林间。

裸子植物中的种子蕨类成为主要的陆地植物。海洋中，推动了陆地脊椎动物演化的肉鳍鱼类等，开始逐渐被具有发达鱼鳔的真骨鱼类所取代。在约2.9亿年前，爬行动物分成了下孔类和双孔类两支。其中，下孔类占优势。约2.5亿年前开始，海平面下降和大规模火山爆发等一系列灾害造成了70%的陆地脊椎动物和96%的海洋生物灭绝，发生了显生宙历史上的第三次生物大灭绝。