История жизни восстанавливается по остаткам животных и растений и следам их жизнедеятельности, сохранившимся в осадочных и очень редко в метаморфических горных породах. Ископаемые остатки организмов, некогда населявших З., служат своеобразной летописью развития жизни на З. в течение многих млн. лет. Эта геологическая летопись крайне не совершенна и отличается неполнотой, т.к. большое число организмов, особенно бесскелетных, исчезло бесследно. Огромный по времени докембрийский этап — криптозой (около 3 млрд. лет) — палеонтологически документирован очень слабо.
Наиболее древние следы жизнедеятельности организмов обнаружены в породах архея, возраст которых определяется от 2,6 до 3,5 и более млрд. лет; они представлены остатками бактерий и сине-зелёных водорослей. Более разнообразны органические остатки, найденные в породах протерозоя, который был временем господства бактерий и водорослей. В нижнем протерозое представлены преимущественно продукты жизнедеятельности водорослей (строматолиты) и бактерий (в частности, железобактерий, образовавших некоторые залежи руд). По-видимому, в протерозое возникли первые многоклеточные животные, т.к. в отложениях конца протерозоя (вендский комплекс, Эдиакара в Южной Австралии и др.) найдены отпечатки и ядра ряда бесскелетных животных — губок, медуз, кораллов, червей и некоторых др. организмов неясного систематического положения. По преобладанию остатков медуз конец протерозоя называют «веком медуз». По-видимому, в протерозое существовали и др. организмы, т.к. в отложениях раннего палеозоя найдены остатки и следы жизнедеятельности представителей почти всех типов животного царства, свидетельствующие о том, что возникновение и становление многих типов произошло значительно раньше. Возможно, что все организмы протерозоя ещё не имели твёрдого скелета и поэтому известно о них очень мало. К концу криптозоя произошли крупные палеогеографические изменения, связанные с завершением байкальского тектонического цикла. Вероятно, к этому же времени изменился состав атмосферы в результате широкого развития фотосинтезирующих растений (увеличилось содержание кислорода и соответственно уменьшилось количество углекислого газа) и химический состав морской воды.
Исключительно важным событием в истории развития органического мира было появление на рубеже докембрия и фанерозоя ряда групп организмов, обладавших органическим или минеральным скелетом. Многочисленные органические остатки из отложений фанерозоя позволяют не только восстанавливать историю развития органического мира, но и подразделять её на определённые этапы (эры, периоды и т.д.), помогают производить палеогеографическую реконструкцию (определять границы морей и континентов, климатических зон, восстанавливать историю морских бассейнов и материков, выяснять образ жизни и условия существования организмов в прошлом).
Эволюция протекала как процесс приспособительный, или адаптивный, и основными его факторами были наследственная изменчивость, борьба за существование и естественный отбор. Конкретные пути эволюции были различными. Иногда происходили очень крупные качественные преобразования организмов (например, появление теплокровности), обычно называемые ароморфозами (или арогенезами), которые приводили к общему повышению организации, возникновению принципиально новых связей со средой. Более обычным путём эволюции было формирование приспособлений, не связанных с какими-либо существенными изменениями организации, но способствовавших более широкому расселению организмов и приспособлению к более разнообразным условиям (идиоадаптации). Ароморфозы и идиоадаптации являются двумя сторонами одного и того же процесса приспособления.
Изучение организмов геологического прошлого позволило установить неодинаковую скорость эволюции как в целом, так и в пределах разных типов растений и животных; эволюция, как правило, шла от простого к более сложному, но иногда в связи с приспособлением к иному образу жизни (малоподвижному, паразитическому) более сложные формы давали начало более простым; новые группы обычно возникали из относительно простых, неспециализированных форм; развитие одних форм всегда сопровождалось вымиранием других, менее приспособленных; эволюция в целом монофилетична (см. Монофилия) и, как всякое развитие, — процесс необратимый.
Палеозойская эра по характеру органического мира отчётливо разделяется на два этапа. Для первого этапа (кембрий, ордовик и силур), совпадающего с каледонским тектоническим циклом, характерны преимущественно морские организмы. Продолжают существовать различные микроорганизмы и синезелёные водоросли; появляются фораминиферы (агглютинирующие), радиолярии, археоциаты, губки, мшанки, кишечнополостные, моллюски, членистоногие, иглокожие. Особенно характерны табуляты, ругозы, эндоцератоидеи, актиноцератоидеи, трилобиты, плеченогие, морские пузыри и граптолиты. В ордовике появляются первые позвоночные — бесчелюстные рыбообразные с двухкамерным сердцем и просто устроенным головным мозгом, защищенным впервые возникшей мозговой капсулой. Дальнейшее развитие морских позвоночных шло по пути усложнения головного мозга (цефализация), кровеносной системы и всех остальных органов. В конце силура и в начале девона, когда на значительной территории З. морской режим сменяется континентальным (конец каледонского цикла), многие представители названных групп вымирают. В конце силура одновременно появляются первые настоящие рыбы, имеющие челюсти.
Второй этап — поздний палеозой, совпадает с герцинским тектоническим циклом и характеризуется дальнейшей эволюцией органического мира, появлением и широким распространением наземных растений и животных. В начале девона распространилась первая наземная флора — псилофитовидная, в состав которой входили также примитивные плауновидные, членистостебельные и прапапоротники; в начале позднего девона эта флора сменилась археоптерисовой (названа по характерному растению — археоптерису). Появляются первые насекомые и наземные хелицеровые (скорпионы, пауки, клещи). В морях резко сокращается количество трилобитов и граптолитов, но возникает ряд новых групп, в частности аммонитоидеи из головоногих. Особенно характерно для девона появление и быстрое развитие рыб (панцирных, лучепёрых, кистепёрых, двоякодышащих), в связи с чем девонский период иногда называют «веком рыб». Существенным преимуществом рыб по сравнению с бесчелюстными было наличие челюстей и более сложного мозга, состоявшего из 5 отделов.
В конце девона от кистепёрых произошли первые наземные четвероногие — лабиринтодонты, относимые к земноводным; по-видимому, их размножение, так же как у современных форм, было тесно связано с водой, в которой развивались личинки и проходил дальнейший метаморфоз; газообмен осуществлялся примитивными лёгкими и влажной кожей; передний отдел головного мозга, возможно, был разделён на два полушария.
Конец палеозоя (карбон и пермь) был этапом завоевания суши разными группами организмов и в первую очередь растениями. Развилась растительность лесного типа, в которой господство принадлежало споровым растениям — плауновидным, членистостебельным и примитивным голосеменным (кордаитовым и птеридоспермам). В среднем и позднем карбоне обособились три ботанико-географических провинции: Тропическая, с флорой еврамерийского и катазиатского типов, и две внетропические — северная (Ангарская) и южная (Гондванская). В Тропической провинции преобладали древесные плауновидные (лепидодендроны и сигиллярии), членистостебельные (каламитовые) и разнообразные птеридоспермы; в Ангарской — кордаитовые, в Гондванской — глоссоптериевые. С расцветом растительности становятся многочисленными многие наземные беспозвоночные, в первую очередь членистоногие (насекомые). Большого разнообразия достигли земноводные. В карбоне от них произошли первые пресмыкающиеся (котилозавры), тело которых было покрыто ороговевшей кожей (что предохраняло их от потери влаги). Вероятно, они, как и современные пресмыкающиеся, размножались на суше; яйца их были защищены известковой скорлупой, дыхание осуществлялось только лёгкими; более совершенными стали кровеносная и нервная системы. В середине пермского периода, совпадавшего с завершением герцинского тектонического цикла, размеры морей сократились, значительно увеличилась площадь материков. Всё более широкое распространение получили настоящие голосеменные — хвойные, гинкговые, цикадовые и беннеттитовые. Большого разнообразия достигли пресмыкающиеся, ряд групп которых характерен только для перми. В конце пермского периода произошли значительные изменения в морской фауне. Вымерли ругозы, табуляты, многие группы морских лилий, морских ежей, плеченогих, мшанок, последние представители трилобитов, ряд хрящевых рыб, древних лучепёрых, ряд кистепёрых и двоякодышащих рыб, земноводных и пресмыкающихся.
