Paläozoische Tiere lebten während des Paläozoikums, einer riesigen Zeitspanne, die sich vom Beginn des Kambriums vor 542 Millionen Jahren bis zum katastrophalen Aussterben der Perm-Trias vor etwa 251 Millionen Jahren erstreckte. Die Ära umfasst sechs geologische Perioden, die vom jüngsten bis zum ältesten sind: Kambrium, Ordovizium, Silur, Devon, Karbon und Perm.
Das Paläozoikum war eine Zeit extremer evolutionärer Veränderungen und die Grundlagen des Lebens, wie wir es kennen, wurden in dieser Zeit gelegt. Unmittelbar vor dem Paläozoikum gab es, wenn überhaupt, nur wenige Tiere mit harten Schalen, und soweit wir wissen, gab es überhaupt keine Landpflanzen oder Tiere. Das größte Tier des frühen Paläozoikums war wahrscheinlich nur wenige Zentimeter lang, da die früheren ediacaranischen Gemeinschaften, die aus einfachen wedelartigen Organismen von bis zu einem Meter Länge bestanden, größtenteils ausgestorben waren.
Eines der ersten bekannten paläozoischen Tiere und tatsächlich bezeichnend für den Beginn der gesamten Ära war der bekannte Trilobit, ein äußerst zahlreicher Arthropode, der seine eigene Klasse, Trilobita, bildete. Trilobiten gehörten zu den ersten Tieren mit harten Schalen, und ihre Fossilien sind so zahlreich, dass Sie sie heute bei eBay für 10 US-Dollar (USD) oder weniger kaufen können. Schon die frühesten Trilobiten hatten Facettenaugen mit Calcitlinsen, ein einzigartiges Merkmal der Gruppe. Für die damalige Zeit eine beeindruckende evolutionäre Innovation.
Ungefähr zehn Millionen Jahre nach dem Paläozoikum ereignete sich die wahrscheinlich bedeutendste evolutionäre Strahlung in der Geschichte des Lebens – die kambrische Explosion. Die kambrische Explosion hat ihren Namen wegen des geologisch plötzlichen Auftretens praktisch aller modernen Stämme, sogar der Wirbeltiere, repräsentiert durch den ersten kieferlosen Fisch, der Dutzende von Millionen Jahren erfolgreich war, bis er im Ordovizium durch kieferlose Fische ersetzt wurde.
Ein weiteres der ikonischen Tiere des Paläozoikums sind die Eurypteriden, die Seeskorpione, die praktisch während des gesamten Paläozoikums Raubtiere waren und erst am Ende ausgestorben sind. Diese Skorpione sind die Nachkommen moderner Skorpione und einige, wie Jaekelopterus, übertrafen zwei Meter Länge. Obwohl viele Paläontologen wahrscheinlich enttäuscht sind, dass Eurypteriden nicht in der Nähe sind, um sie zu untersuchen, würden die meisten Strandbesucher es wahrscheinlich vorziehen, dass sie ausgestorben bleiben.
Im Paläozoikum entwickelte sich die erste terrestrische Flora und Fauna, die in dieser Zeit schnell den größten Teil der Landfläche der Erde bedeckte. Landpflanzen entwickelten sich aus Grünalgen, zunächst nur wenige Zentimeter groß, bis sie Gefäßgewebe entwickelten, dann wurden sie einige Meter groß. Nachdem die Pflanzen echtes Holz entwickelt hatten, konnten sie sich wirklich „loslassen“ und im letzten Teil des Paläozoikums viele Dutzend Meter hoch werden. Zu diesen Landpflanzen gesellten sich viele paläozoische Tiere, die die Fähigkeit zum Gehen an Land entwickelt hatten und unabhängige Abstammungslinien von Wirbellosen (meistens Insekten und Cheliceraten wie Milben) und Wirbeltieren (Fische begannen, an Land zu gehen, wurden zu Amphibien). Am Ende der Periode gab es so viele paläozoische Tiere, begleitet von paläozoischer Flora, dass sich komplexe terrestrische Ökosysteme etablierten, die denen aller zukünftigen Epochen ungefähr analog waren.
Das Paläozoikum ging mit einem katastrophalen Aussterben zu Ende, das 97% der marinen Gattungen und 70% der terrestrischen Wirbeltiergattungen auslöschte.