Paleozojaus era prasidėjo maždaug prieš 542 milijonus metų, įvykus didžiuliam gyvybės formų sprogimui. Jis baigėsi po 291 milijono metų išnykus 90–95 procentams planetos gyvybės. Jo klimatas pasižymėjo didžiuliais temperatūros svyravimais, kai žemyninės masės slinko aplink Žemės paviršių. Žemynai išsiskyrė, suskaidė Žemės plutą ir vėl sudužo, uždarydami jūras ir sukurdami kalnus. Vulkaninė veikla pakeitė atmosferos chemiją. Paleozoikas skirstomas į šešis laikotarpius: kambro, ordoviko, silūro, devono, karbono ir permio.
Žemyninės mišios
Senovės Rodinijos superkontinentas, susiformavęs prieš milijardą metų ir kaip viena sausumos masė Žemėje, iki paleozojaus pradžios buvo suskaidytas į šešias pagrindines dalis. Šios masės vėl susirinko paleozojaus epochoje ir sukūrė naują superkontinentą „Pangea“. Susidūrus sausumos masėms, jos užsidarė jūrose, palikdamos vieną vandenyną, kurį mokslininkai vadina Panthalassa.
Kambrija ir Ordovičus
Gyvenimas sprogo prieš 542 milijonus metų Kambro laikotarpio pradžioje, kai žemės masės buvo išdėstytos aplink Žemės ir vidutinio klimato regionus. Vandenynai užtvindė žemę. Vandenynuose nusėdusios nuosėdos padidino deguonies kiekį vandenyje. Temperatūra pakilo iki Ordovičiaus laikotarpio pradžios prieš 488 milijonus metų ir pasirodė pirmieji sausumos augalai. Žemynai plyšo, suplėšę vandenyno dugną ir sukeldami daug vulkaninės veiklos. Sausumos masėms einant link Žemės poliarinių regionų, prasidėjo ledynmečiai, temperatūra krito visai planetai ir išnyko trečdalis gyvybės Žemėje.
Silūro
Gyvenimas atgijo prasidėjus Silūro laikotarpiui prieš 443,7 mln. Metų. Koralų rifai ir žuvys pasirodė šiltose, sekliose jūrose. Temperatūra pakilo, sukurdama aiškias klimato zonas. Žemyninė masė pietų pusrutulyje turėjo poliarinį ledo dangtelį, kuris į šiaurę susiliejo į vidutinio klimato zoną ir sausras sausumos sąlygas aplink pusiaują. Šiltos jūros pakrančių regionuose kaupė druskas, skatindamos jūrų augalus ir gyvūnus prisitaikyti prie gyvenimo sausumoje.
Devonas
Kai prieš 416 milijonų metų prasidėjo devono laikotarpis, šalia pusiaujo buvo tik dvi sausumos masės. Temperatūra atšilo, pelkės tapo sausesnės, sausumoje augo medžiai, o jūrose vystėsi labai įvairios žuvys. Laikotarpio pabaigoje prieš 359 milijonus metų virš pietinio poliarinio regiono susidarė ledas, dėl kurio sumažėjo jūros lygis, o po to išnyko beveik 70 procentų jūrų gyvybės. Tuo pačiu metu temperatūra šiaurės pusrutulyje kilo.
Anglinis ir perminis
Anglies periodu klimatas šiauriniame pusrutulyje keitėsi nuo karštos dykumos iki drėgnų ir drėgnų sąlygų. Sodingi augalai ir medžiai augo pelkėse ir potvynių lygumose. Permės laikotarpio pradžioje prieš 299 milijonus metų dvi pagrindinės žemyninės masės priartėjo, jūros tarp jų užsidarė, jūrų buveinės sumažėjo ir klimatas tapo sausas. Kontinentiniai susidūrimai suformavo kalnus, tokius kaip Apalačiai ir Uralas. Ugnikalniai išpurškė pelenus į atmosferą, blokuodami saulės spindulius ir krisdami temperatūrą bei deguonies lygį atmosferoje. Jūra tapo toksiška, nes išsiskyrė metano ir anglies dioksido, įstrigusių jūrų nuosėdose. Iki 251 milijono metų Žemės ozono sluoksnis buvo sunaikintas ir 90–95 procentai gyvybės išnyko.