L'era inizia circa 540 milioni di anni fa e si protrae fino a circa 252 milioni di anni fa. Essa è suddivisa nei seguenti periodi: Cambriano (540-485 m.a.), Ordoviciano (485-444 m.a.), Siluriano (444-419 m.a.), Devoniano (419-359 m.a.), Carbonifero (359-299 m.a.), Permiano (299-252 m.a.).
Eventi geologici
All'inizio del Paleozoico il supercontinente precedente (Rodinia o Pannotia) è disgregato in piccoli continenti. Le terre però cominciano nuovamente a raggrupparsi: nel continente Gondwana (Africa, America meridionale, Australia, Antartide, India) a sud, mentre a nord si trovano i blocchi nordamericano (Laurentia), europeo, asiatico e cinese.
Nel Siluriano (400 m.a.) si completa l'orogenesi caledoniana, già iniziata nel periodo precedente, dovuta allo scontro dei blocchi continentali europeo e nordamericano, che si stavano spostando verso l'equatore, formando il continente Laurussia. Di questa catena si trovano tracce in Scozia, Norvegia, Stati Uniti orientali (Appalachi). Nel frattempo il continente Gondwana andava spostandosi verso il Polo sud.
Nel Carbonifero (300 m.a.) lo scontro di Asia, Laurussia e Gondwana ha formato una grande catena montuosa che attraversava tutta l'Europa centrale, dal Mar Nero alla Spagna, le cui tracce si vedono oggi in Germania e Inghilterra, e coinvolse anche l'Asia centro-orientale, l'America nord-orientale, l'Africa occidentale (orogenesi ercinica). Il sollevamento ha comportato anche importanti fenomeni magmatici con grandi intrusioni granitiche.
Più tardi si salderà anche il continente siberiano formando gli Urali, portando alla creazione di un unico grande continente, la Pangea, circondato dall'oceano Panthalassa. Dal Giappone all'Italia si apriva un vasto mare chiamato Tetide.
Lo smantellamento delle catene montuose nella seconda parte del Paleozoico e le particolari condizioni climatiche porteranno alla formazione di sabbie rosse nel blocco nordamericano ed europeo: le arenarie rosse antiche (Siluriano-Devoniano) e poi le arenarie rosse recenti (Permiano).
Eventi climatici
Dopo la fine della glaciazione huroniana, il clima diventa più caldo e uniforme, anche se non mancano tracce di glaciazioni, soprattutto nell'Ordoviciano, quando comincia a emergere la catena caledoniana. In conseguenza della glaciazione il livello marino, prima molto alto, si abbassò drasticamente, portando all'estinzione di circa il 60% dei generi di animali marini. Nel Devoniano il clima torna nuovamente caldo e probabilmente privo di ghiacciai, mentre nel Carbonifero il clima nella zona equatoriale è caldo e umido. La saldatura dei continenti nel supercontinente Pangea, nel Permiano avrà come conseguenza un progressivo inaridimento climatico perché gran parte delle terre viene a trovarsi lontana dagli effetti benefici del mare. In questo periodo si hanno fasi di clima mite alternate a clima più freddo.
A metà circa del Paleozoico si è formata la moderna atmosfera grazie alla presenza di batteri filamentosi e poi delle piante.
Eventi biologici
540 milioni di anni fa i mari erano bassi e caldi; gli animali e le piante erano ancora esclusivamente marini. Sono presenti Alghe, Spugne, Coralli e Meduse, Molluschi, Stelle e Ricci e animali tipici di quest'era come i Trilobiti, gli Archeociatidi e i misteriosi Graptoliti. In pratica erano presenti i principali phyla di animali e piante, progenitori delle specie moderne. La comparsa è stata così rapida (pochi milioni di anni) e simultanea da essere definita Esplosione cambriana.
A metà circa del Paleozoico si diffondono nel mare i Pesci corazzati e più tardi i Selaci e i Pesci ossei; compaiono Anfibi giganti (Devoniano) e i primi Insetti terrestri. L'abbondanza di ossigeno consentirà lo sviluppo di forme giganti di queste specie.
Sulla terraferma nel Carbonifero il clima caldo e umido consente la crescita di Felci, Equiseti, Licopodi di dimensioni gigantesche che formano immense foreste e che si trasformeranno negli attuali giacimenti di carbone fossile. Verso la fine dell'era compariranno anche i Rettili e le Conifere. Le zone polari invece erano interessate da ampi ghiacciai che si estendevano in gran parte del territorio della Gondwana.
All'inizio del Permiano il clima si inaridisce, portando alla scomparsa delle lussureggianti foreste e diventando adatto allo sviluppo dei Rettili, che erano comparsi alla fine del Carbonifero.
La fine del Paleozoico è segnata da una crisi ecologica che ha portato alla più grande estinzione di massa mai conosciuta: sono scomparse il 70% delle specie terrestri e il 95% delle specie marine in poche decine di magliaia di anni, tanto che ci vollero 30 milioni di anni prima che la vita potesse riprendere nuovamente. Le spiegazioni proposte per questa estinzione sono molteplici e probabilmente ciascuna ha contribuito in parte: un generale abbassamento del livello dei mari; rilascio di enormi quantità di CO2 dovuta alle imponenti eruzioni magmatiche nell'area siberiana che causarono l'acidificazione degli oceani e un riscaldamento climatico eccessivo; aumento della radiazione cosmica; diminuzione dell'ossigeno ecc.