Los animales del Paleozoico vivieron durante la era Paleozoica, un gran período de tiempo que se extiende desde el comienzo del período Cámbrico, hace 542 millones de años, hasta la catastrófica extinción del Pérmico-Triásico, hace unos 251 millones de años. La era abarca seis períodos geológicos, y del más joven al más antiguo, son: Cámbrico, Ordovícico, Silúrico, Devónico, Carbonífero y Pérmico.
El Paleozoico fue una época de cambio evolutivo extremo y los cimientos de la vida tal como la conocemos se establecieron durante este período. Inmediatamente antes del Paleozoico, había pocos animales con caparazón duro, si es que había alguno, y hasta donde sabemos, no había plantas ni animales terrestres en absoluto. El animal más grande del Paleozoico temprano probablemente no tenía más de unas pocas pulgadas de largo, ya que las comunidades ediacaranesas anteriores, que consistían en organismos simples parecidos a frondas de hasta un metro de longitud, se habían extinguido en su mayoría.
Uno de los primeros animales paleozoicos conocidos, y de hecho indicativo del comienzo de toda la era, fue el conocido trilobite, un artrópodo extremadamente numeroso que formó su propia clase, Trilobita. Los trilobites estuvieron entre los primeros animales en tener caparazón duro, y sus fósiles son tan numerosos que puedes comprarlos hoy en eBay por $ 10 dólares estadounidenses (USD) o menos. Incluso los primeros trilobites tenían ojos compuestos con lentes de calcita, una característica única del grupo. Por el momento, esta fue una innovación evolutiva impresionante.
Aproximadamente diez millones de años después del Paleozoico, probablemente ocurrió la radiación evolutiva más significativa en la historia de la vida: la explosión del Cámbrico. La explosión cámbrica recibe su nombre por la aparición geológicamente repentina de prácticamente todos los phyla modernos, incluso vertebrados, representados por el primer pez sin mandíbulas, que tendría éxito durante decenas de millones de años, hasta ser reemplazado por peces con mandíbula en el Ordovícico.
Otro de los animales icónicos del Paleozoico son los euriptéridos, los escorpiones marinos, que fueron depredadores profesionales durante prácticamente toda la era Paleozoica, y solo se extinguieron al final. Estos escorpiones son descendientes de los escorpiones modernos y algunos, como Jaekelopterus, superaron los dos metros de longitud. Aunque es probable que muchos paleontólogos estén decepcionados de que los euriptéridos no estén presentes para estudiar, la mayoría de los bañistas probablemente preferirían que permanecieran extintos.
El Paleozoico vio la evolución de la primera flora y fauna terrestre, que rápidamente cubrió la mayor parte del área terrestre de la Tierra durante este período. Las plantas terrestres evolucionaron a partir de algas verdes, al principio solo unas pocas pulgadas de alto, hasta que desarrollaron tejidos vasculares, luego alcanzaron unos pocos pies de altura. Después de desarrollar madera verdadera, las plantas realmente podían «soltarse», creciendo muchas decenas de metros de altura en la última parte del Paleozoico. A estas plantas terrestres se unieron muchos animales paleozoicos que habían desarrollado la capacidad de caminar sobre la tierra, presentando linajes independientes de invertebrados (en su mayoría insectos y quelíceros como ácaros) y vertebrados (los peces comenzaron a caminar sobre la tierra y se convirtieron en anfibios). Al final del período, había tantos animales paleozoicos, acompañados de flora paleozoica, que se establecieron ecosistemas terrestres complejos aproximadamente análogos a los de todas las eras futuras.
La era Paleozoica llegó a su fin con una extinción catastrófica que acabó con el 97% de los géneros marinos y el 70% de los géneros de vertebrados terrestres.