Les innovations évolutives semblent avoir été relativement peu nombreuses au cours des trois premiers milliards d’années environ de la vie sur Terre. Les principales innovations évolutives au cours de cette période ont été l’évolution des bactéries oxyphotosynthétiques et des cellules complexes (eucaryotes). Bien que la vie elle-même soit née il y a au moins 3.7 milliards d’années, ce n’est qu’il y a environ 600 millions d’années que la première preuve tangible de la vie multicellulaire apparaît.
Si l’on ne tient pas compte des innovations évolutives des protozoaires (unicellulaires), qui, selon de nombreux scientifiques, sont les plus importantes de toutes sur le plan technique, il existe un certain nombre d’innovations évolutives dont l’utilité est évidente pour quiconque. Cinq innovations évolutives qui semblent les plus importantes sont l’évolution d’une troisième couche germinale, qui permet une cavité corporelle, également appelée coelome ; la prédation, qui a déclenché une course aux armements de changement évolutif ; les yeux, qui après leur évolution initiale ont connu un tel succès que la majorité des animaux macroscopiques les possèdent ; la colonisation de la terre par les plantes et les animaux ; et l’évolution du vrai vol, qui s’est produit indépendamment quatre fois et a ouvert une énorme nouvelle niche pour les animaux à coloniser.
L’évolution d’une troisième couche germinale, c’est-à-dire les animaux triploblastiques, s’est produite il y a entre 600 et 580 millions d’années. Le plus ancien fossile triploblastique connu est Vernanimalcula guizhouena, un petit animal sphérique de seulement 0.1 mm de diamètre. Cet animal s’est avéré avoir deux cavités corporelles séparant son intestin de la paroi corporelle. Cet arrangement physiologique aide à amortir les organes internes tout en découplant les dépendances structurelles entre les deux, leur permettant de se développer indépendamment. Il s’agit d’une innovation évolutive inestimable.
L’évolution de la prédation et des yeux s’est probablement produite de manière rapprochée, et les deux très tôt. Compte tenu de ce que nous savons, il est raisonnable de supposer que ces deux événements se sont produits à peu près au même moment, à la limite Cambrien-Précambrien il y a environ 542 millions d’années. Tous les animaux aux yeux sont monophylétiques, ce qui signifie qu’ils partagent un ancêtre commun qui a évolué au cours de cette période. Cela contraste avec une vue antérieure qui affirmait que les yeux évoluaient indépendamment à plusieurs reprises. À peu près à la même époque, les premiers organismes à carapace dure sont apparus, et de petits forages peuvent être vus sur ces coquilles, signe révélateur de prédateurs. La prédation peut avoir évolué encore plus tôt, car il existe des preuves superficielles de la prédation de la période édiacarienne, 10 à 20 millions d’années avant la limite Cambrien-Précambrien.
Les deux dernières innovations évolutives d’une grande importance sont le mouvement vers la terre et le mouvement vers les airs. Le déplacement vers la terre est le plus important des deux, il s’est produit il y a environ 460 à 430 millions d’années, pendant les périodes ordovicienne et silurienne. À cette époque, les algues vertes ont évolué en plantes terrestres, qui ont été suivies plusieurs dizaines de millions d’années plus tard par de simples arthropodes, dont les ancêtres des araignées et des moissonneurs modernes. Le premier fossile terrestre connu est un mille-pattes. Beaucoup plus tard, il y a environ 350 millions d’années, pendant la période carbonifère, les insectes ont évolué en vol, exploitant une énorme nouvelle niche. Le vol évoluerait indépendamment trois fois de plus : chez les ptérosaures, les oiseaux et les chauves-souris.