幾百萬年來，無脊椎動物如三葉蟲和棘皮動物統治著海洋，但它們的靈活性受到了外骨骼的限製。當魚類帶著內骨骼出現時，它們就擁有了生存優勢。內骨骼使魚類可以長得更大，更強壯。魚類成了更好的遊泳者，它們更加靈活，體形更加流暢，遊起來更快。它們具有雙鰭，因而可以停下來、轉向和使用技巧，就像一架飛機或一艘潛艇一樣；它們的雙鰭還可以防止翻滾、顛簸和偏航。
鯊魚是一種軟骨魚類，也出現於古生代。最初的鯊魚與現代的各種鯊魚相似，也具有長長的身體，很大的三角形鰭和一條具有尾葉的朝上堅聳的尾巴。早期的鯊魚有兩個背鰭和一對胸鰭，有些在前部的背鰭上還有一個骨質的棘或像刷子一樣的結構。每個鯊魚頜的旁邊都伴生著一層像傳送帶一樣的齒齦組織。在鯊魚具有周期性的牙床中，逐漸生出由磷酸鈣構成的鋒利的牙齒。因種類不同，鯊魚的牙齒的更換周期有的是幾天，有的是幾周。由於鯊魚和椏魚沒有真正的骨架，對它們古代祖先的了解主要來自牙齒化石，偶爾從保存下來的構成鯊魚皮的微小齒狀物中，我們也可以了解到一些信息。鯊魚牙齒化石是比較豐富的——因為在鯊魚的一生中，可以產生上千顆牙齒。
多刺魚類和鯊魚擴展著它們的生存空間，種類變得多樣化起來。早期魚類中，有的甚至來到陸地上，生活在潮濕的泥窪中。原始的肺魚，因其輔助的肺而得名，可以呼吸空氣，並利用一對強健有力的鰭在陸地上蹣跚而行。不難想像，肺魚後來是怎樣進化成陸棲生物的。
大約4億年前，地球的外貌開始發生變化。植物從水下世界出現，並來到陸地上，最早的昆蟲開始在天空出現，動物開始在海濱遊蕩，苔蘚和蕨類植物使原本荒蕪的大地披上了一層新的綠色，森林開始出現。大片的沼澤取代了早期的海洋環境，幹燥的風在廣袤的沙漠地區吹揚。悔洋和海岸帶之間的競爭變得激烈起來，動物被迫遷向陸地以尋求安定的環境和新的食物來源。最早離開潮濕世界的生物是早期的兩棲動物——現代青蛙、蟾蜍和蠑螈的祖先。它們的化石和保存下采的遺跡表明，它們通常生活在小溪和沼澤裏，以捕食昆蟲、魚類和自己的同類為生，但偶爾它們也會冒險來到幹燥的陸地上。在兩棲動物的一生中，由於他們要返回海洋產卵，所以不能一直遠離水。它們向陸棲動物的轉化還是不完全的。對於海洋生物來說，它們第一次從海洋到陸地的過程就像一場噩夢——太陽的酷熱、身體受到無法避免的重力的拖曳、怪模怪樣的食物和不可知的捕食者。但畢竟生命承受下來了，動物進化出了適於陸地生活的骨骼和細胞結構。
大約3億年前，真正的陸地生物——爬行動物首次出現。與兩棲動物不同，爬行動物產的卵有一層堅韌的鈣質外殼，這使得產卵可以在陸地上進行，它們就不必周期性地返回海洋了。最初的爬行動物是個體小、樣子像蠑螈一樣的生物。但它們生長和分化得很快，一些成為食草動物，以植物為生；而其他的則成了食肉動物，以肉為生。有幾種大蜥蜴在背部有一條扇子狀的大“尾巴”，可能是調節體溫用的：是大自然獨創的太陽能板。
27億年前二疊紀時期，古生代接近了尾聲。在地球舞台上出演的角色名單再次爆滿；海洋中的生命熙來攘往，一片繁榮景象。氣候變暖了，淺海覆蓋著地球表麵的許多地區。這時的海洋環境有利於海洋中生命的成長。濾食生物在海底占著統治地位。高高的花一樣的海百合隨著海流飄動，有時高度可達3米。海百合是海洋中的百合花，它們的花柄呈圓柱狀，又細又長，這些柄由大小合適的石灰石圓盤組成，頂端是一簇觸角。腕足動物幾百隻一群靜靜地呆著不動，通過它們蚌蛤一樣的身體過濾著海水。苔蘚蟲在碎石堆上繁衍，建造起五顏六色的種群，有的像小樹枝，有的像扇子，有的像人的手指。在珊瑚礁上，珊瑚蟲相對於其他製造石灰石的生物要遜色一些。海綿、苔蘚蟲、海藻和有孔蟲可以堆積成巨大的石灰石結構。這些由碳酸鈣組成的海底小山不斷生長著，上麵到處是海洋生物，有的在爬動，有的在遊弋，有的則靜止不動。多刺魚類和軟骨類的鯊魚也擴展開來，並出現了分化。甚至連沼澤中都充滿了有著巨頜和一對尖牙的鰻一樣的鯊魚。海洋中到處是生機：巨大的珊瑚礁裏擠滿了海洋生物，表層的海流中密布著浮遊植物，地球的水域裏分布著大量的魚類。
但是到了大約25億年前，某個事件的發生，使地球上的生命幾乎都被消滅光了。大滅絕降下了二疊紀和古生代結束的幕布。在這次大滅絕中，當時存在的所有種類有90％被殺死了，地球上一次偉大的生物改組開始了。三葉蟲和幾種甲殼類動物以及珊瑚蟲完全消失了。小個體的有孔蟲不見了，腕足動物、苔蘚蟲、海百合和魚類也損失慘重。陸地上，兩棲動物和昆蟲的數量急劇降低。
許多人認為，二疊紀末的大滅絕發生在一段相對比較短的時期內，大約有幾百萬年，但還沒有人發現確切的證據來說明發生的原因。對這次生物災難的解釋有幾種，包括氣候的巨變，海平麵的急劇降低，貧氧水的上湧，有毒物質的出現，以及生物鏈中幾個關鍵種類的消失。最近的研究表明，二疊紀的大滅絕實際上發生在50萬年以內，這使一些科學家得出這樣的結論：大滅絕是由於一個巨大的小行星或彗星撞擊地球所致。而其他科學家認為，二疊紀末的大滅絕與大陸構造的改變以及地球深處火山活動的加劇有關。