讓我們返回到古生代海洋早期的舞台吧，這時出現的角色變成了許多陌生的與熟悉的海洋生物。奇特的棘狀生物與有殼生物在海中漫遊著，喇叭狀和盤狀的珊瑚、圓錐狀的海綿和無數的蚌狀腕足類動物散布在海底。苔蘚蟲，經常被稱為“苔蘚動物”，它們將岩石和碎石堆蓋上了一層彩色的碳酸鈣分泌物；橙色、紫色和綠色的群落有助於形成不斷增厚的石灰岩。小而簡單的叫做介形亞綱的甲殼綱動物與扁平的管狀有孔蟲一起生活在這些沉積層中。有孔蟲是一種單細胞、變形蟲樣的生物，具有小的鈣質外殼。在古生代它們全都生活在海底，之後，出現了新的浮遊種類。保存在海底沉積物中的有孔蟲的小殼,最終將成為科學家研究地球曆史的無價之寶。
在海洋的開放海域裏，微小的浮遊動物和浮遊植物也變得豐富多樣起來。放射蟲出現了，這是一群有著美麗的矽質外殼的小的浮遊動物。這時，幾乎所有具有可保存的硬體部分的主要的無脊椎動物群都出現了。
是什麼可能造成寒武紀的海洋中生命這樣的迅猛繁榮呢?科學家們提出了幾種假說。一種理論基於達爾文的進化論，認為生命的多樣性是由於種間競爭和自然選擇的結果：適者生存的一個典型例子。隻有那些進化出防護性的甲殼或硬體部分的生物，才能抵抗新生的饑餓的捕食者的屠戮而生存下來。但是這一時期進化速度之快，似乎與達爾文自然選擇的漸進過程並不相符。還有一種理論認為，環境的變化加快了寒武紀生命的繁榮。這時早期超級大陸已經分裂，海陸的分布格局已經改變。氧氣濃度的增高和氣候的變暖，使得新生的海洋更有利於生命的存在，或者可能是大陸的運動使海域擴大了，為特殊的生命形式提供了更多的棲息地。第三種理論認為，這一時期發生了一次災難性的小行星撞擊事件，改變了海洋的條件，為生命的繁榮掃清了障礙。還有人認為性別的出現是生物大繁榮的真正原因。在出現性的繁殖之前，生物基本上是靠自我分裂的方式進行繁殖的，這是一種簡單地把基因物質混合從產生變化的方式。出現了性的繁殖後，基因物質就可以在種內快速混合，更快地發生變異，從而進化到新的生命形式。幾乎沒有什麼證據來支持上述的任何一種理論；但幾乎可以肯定的是，科學家將繼續尋找這些“為什麼?”的答案。
45億年前，古代海洋中不但充斥著蠕行的三葉蟲，還有許多個頭更大、能力更強的捕食者。烏賊狀的頭足類動物和魚類開始出現。最初的魚類是無頜的像鰻魚一樣的生物，它們沿著海底遊泳，大口大口地攝取水和富含有機質的泥。這些早期魚類的現代代表有七鰓鰻和盲鰻，由於它們被捉住時會滲出大量的泥而更適於稱之為泥魚。許多的早期魚類個頭小，具有一層骨質鱗片和護板組成的“殼體皮膚”。殼體皮膚很重，使它們隻能在近海底活動，由於缺少鰭，它們的靈活性受到限製。後來，魚類進化出顎，成了優秀的遊泳者和能力更強的捕食者。一些種類將保持小的個頭，渾身長著尖刺，而另一些種類的個體開始變大。最早的有顎類魚無論怎麼說都是個怪物，體長可達9米，巨大的顎能夠一口吞下獵物。矛尾魚是另一種原始的有顎魚類，曾被認為已經滅絕了，但在20世紀30年代，一艘拖網漁船在馬達加斯加南部曾捕到過一隻矛尾魚。後來，在印度尼西亞的深水區以及印度洋中也捕到過矛尾魚。矛尾魚呈藍灰色，具有銀色的條紋和大的板狀鱗片，因為4億年以來沒有什麼改變，所以被稱為活化石。幾個科學家非常固執地對活著的矛尾魚進行收集和研究工作，但都沒有成功。
一些人認為，大約44億年前，地球經曆了一次氣候的巨變。在北非、巴西和阿拉伯半島發現的冰期遺跡表明，此時地球又進入了冰期時代。海洋中的水凍結成不斷擴大的冰蓋，造成海平麵急劇降低，許多淺水海洋棲息地逐漸消失。一些生物被一掃而淨，而其餘的生存下來並逐漸恢複——這是地球曆史中不斷重複的一個過程。生命發展起來，變得多樣化，隨後周期性地受到一次毀滅性事件的重創，每次打擊如此之大，以至引發了一次次的生物災難；一些生命形式毀滅殆盡，而其他的則活下來，並開始恢複，繁殖，繼續著演化進程。
大約4億年前泥盆紀早期，有顎魚類的基本結構比較適仔環境，它們在海洋中占據了統治地位。一種奇特的泥盆紀魚類具有與現代魚類一樣的後半部的結構——一條類似鯊魚狀的尾巴；身體的前半部則較原始，被骨質的殼板所包被。它的腿像螃蟹，眼睛和嘴像青蛙。隨著時間的推移，這種早期魚類的沉重的殼板完全消失了，取而代之的是較輕的靈活的較多的鱗片。有意思的是，科學家們認為鯊魚和所有其他脊椎動物(包括人類)的牙齒都是從這些早期魚類的鱗片或護板演化來的。