Paleozojska era započela je prije otprilike 542 milijuna godina masivnom eksplozijom oblika života. Završilo je 291 milijun godina kasnije izumiranjem između 90 i 95 posto života na planetu. Njegovu su klimu obilježile masovne fluktuacije temperature dok su se kontinentalne mase pomicale oko Zemljine površine. Kontinenti su se razdvojili, puknuvši Zemljinu koru, i ponovno se srušili, zatvarajući mora i stvarajući planine. Vulkanska aktivnost promijenila je kemiju atmosfere. Paleozoik je podijeljen u šest razdoblja: kambrijsko, ordovicijsko, silursko, devonsko, karbonsko i permsko.
Kontinentalne mise
Drevni superkontinent Rodinija, koji se stvorio prije milijardu godina i kao jedinstvena kopnena masa na Zemlji, razbio se do početka paleozoika na šest glavnih dijelova. Te su se mase ponovno okupile tijekom paleozojske ere da bi stvorile novi superkontinent, Pangeu. Dok su se kopnene mase sudarale, zatvorili su mora ostavljajući jedinstveni ocean, koji znanstvenici nazivaju Panthalassa.
Kambrijski i ordovicijski
Život je eksplodirao prije 542 milijuna godina na početku kambrijskog razdoblja kada su kopnene mase bile smještene oko središta i umjerenih područja svijeta. Oceani su poplavili i nagrizali zemlju. Sedimenti taloženi u oceanima povećali su razinu kisika u vodi. Temperature su porasle do početka ordovicijskog razdoblja prije 488 milijuna godina i pojavile su se prve kopnene biljke. Kontinenti su se razdvojili, prodirući dno oceana i uzrokujući veliku količinu vulkanskih aktivnosti. Kako su se kopnene mase kretale prema polarnim predjelima Zemlje, počelo je ledeno doba, temperature su padale širom planete i jedna trećina života na Zemlji je izumrla.
Silurski
Život se obnovio početkom silurskog razdoblja prije 443,7 milijuna godina. Koraljni grebeni i riba pojavili su se u toplim, plitkim morima. Temperature su porasle stvarajući različite klimatske zone. Kontinentalna masa na južnoj hemisferi imala je polarnu ledenu kapu koja se spajala prema sjeveru u umjerenu zonu i sušne kopnene uvjete oko ekvatora. Topla mora taložila su soli u obalnim regijama, potičući morske biljke i životinje da se prilagode životu na kopnu.
Devonski
Kad je devonsko razdoblje započelo prije 416 milijuna godina, postojale su samo dvije kopnene mase, obje smještene u blizini ekvatora. Temperature su se zagrijavale, močvare su postajale sušnije, a drveće je raslo na kopnu, dok se u morima razvila velika raznolikost riba. Pred kraj razdoblja prije 359 milijuna godina, nad južnom polarnom regijom nakupio se led, što je uzrokovalo pad razine mora, nakon čega je izumrlo gotovo 70 posto morskog života. Istodobno, temperature na sjevernoj polutki su rasle.
Karbon i perm
Karbonsko razdoblje zabilježilo je promjenu klime na sjevernoj hemisferi od vruće pustinje do vlažnih i vlažnih uvjeta. Bujne biljke i drveće rasle su u močvarama i poplavnim ravnicama. Na početku permskog razdoblja prije 299 milijuna godina, dvije glavne kontinentalne mase približile su se, mora su se zatvorila, morska staništa smanjila, a klima postala suha. Kontinentalni sudari stvorili su planine poput Apalača i Urala. Vulkani su izbacivali pepeo u atmosferu, blokirajući sunčevu svjetlost i uzrokujući pad temperatura i atmosferskih razina kisika. More je postalo toksično otpuštanjem metana i ugljičnog dioksida zarobljenih u morskim sedimentima. Prije 251 milijun godina Zemljin ozonski sloj uništen je i 90 do 95 posto života je izumrlo.