Las innovaciones evolutivas parecen haber sido relativamente pocas y distantes entre los primeros tres mil millones de años de vida en la Tierra. Las principales innovaciones evolutivas durante este tiempo fueron la evolución de bacterias oxifotosintéticas y células complejas (eucariotas). Aunque la vida misma se originó hace al menos 3.7 millones de años, no fue hasta hace unos 600 millones de años que apareció la primera evidencia sólida de vida multicelular.
Descartando las innovaciones evolutivas protozoarias (unicelulares), que muchos científicos argumentarían son las más importantes de todas por razones técnicas, hay una serie de innovaciones evolutivas, cuya utilidad es obvia para cualquiera. Las cinco innovaciones evolutivas que parecen más importantes son la evolución de una tercera capa germinal, que habilita una cavidad corporal, también llamada celoma; depredación, que inició una carrera armamentista de cambio evolutivo; ojos, que después de su evolución inicial se volvieron tan exitosos que la mayoría de los animales macroscópicos los poseen; la colonización de la tierra por plantas y animales; y la evolución del vuelo verdadero, que se ha producido de forma independiente cuatro veces y ha abierto un nuevo y enorme nicho para que los animales colonicen.
La evolución de una tercera capa germinal, es decir, animales triploblásticos, ocurrió hace entre 600 y 580 millones de años. El fósil triploblástico más antiguo conocido es Vernanimalcula guizhouena, un diminuto animal esférico de solo 0.1 mm de diámetro. Se descubrió que este animal tenía dos cavidades corporales que separaban su intestino de la pared corporal. Esta disposición fisiológica ayuda a amortiguar los órganos internos mientras desacopla las dependencias estructurales entre los dos, lo que les permite desarrollarse de forma independiente. Esta es una innovación evolutiva invaluable.
La evolución de la depredación y los ojos probablemente ocurrió muy cerca y ambos muy temprano. Dado lo que sabemos, es razonable suponer que ambos eventos ocurrieron aproximadamente al mismo tiempo, en el límite Cámbrico-Precámbrico hace unos 542 millones de años. Todos los animales con ojos son monofiléticos, lo que significa que comparten un ancestro común que evolucionó durante este período. Esto contrasta con una visión anterior que afirmaba que los ojos evolucionaron de forma independiente en varias ocasiones. Casi al mismo tiempo, aparecieron los primeros organismos con caparazones duros, y se pueden ver pequeñas perforaciones en estos caparazones, un signo revelador de depredadores. La depredación puede haber evolucionado incluso antes, ya que hay evidencia superficial de depredación del período ediacárico, 10-20 millones de años antes del límite Cámbrico-Precámbrico.
Las dos últimas innovaciones evolutivas de gran importancia son el traslado a tierra y el traslado al aire. El traslado a la tierra es el más importante de los dos y se produjo entre hace aproximadamente 460 y 430 millones de años, durante los períodos Ordovícico y Silúrico. Alrededor de este tiempo, las algas verdes evolucionaron hasta convertirse en plantas terrestres, que fueron seguidas varias decenas de millones de años más tarde por artrópodos simples, incluidos los antepasados de las arañas y los recolectores modernos. El fósil terrestre más antiguo conocido es un milpiés. Mucho más tarde, hace unos 350 millones de años, durante el período Carbonífero, los insectos evolucionaron en vuelo, explotando un enorme nicho nuevo. El vuelo evolucionaría de forma independiente tres veces más: en pterosaurios, pájaros y murciélagos.