Paleozojske životinje živjele su tijekom paleozojske ere, velikog vremenskog raspona koji se proteže od početka kambrijskog razdoblja, prije 542 milijuna godina, do katastrofalnog permsko-trijaskog izumiranja, prije oko 251 milijun godina. To doba obuhvaća šest geoloških razdoblja, a od najmlađeg do najstarijeg, to su: kambrij, ordovicij, silur, devon, karbon i perm.
Paleozoik je bio vrijeme ekstremnih evolucijskih promjena i tijekom tog razdoblja postavljeni su temelji života kakvog poznajemo. Neposredno prije paleozoika bilo je malo životinja s tvrdim školjkama, ako ih uopće ima, a koliko znamo, nije bilo kopnenih biljaka ili životinja. Najveća životinja iz ranog paleozoika vjerojatno nije bila dulja od nekoliko inča, budući da su ranije edijakarske zajednice, koje su se sastojale od jednostavnih organizama sličnih listovima do metar ili nešto duljine, uglavnom izumrle.
Jedna od prvih dobro poznatih paleozojskih životinja, koja zapravo ukazuje na početak čitave ere, bio je poznati trilobit, iznimno brojni člankonožac koji je formirao vlastiti razred, Trilobita. Trilobiti su bili među prvim životinjama koje su imale čvrstu školjku, a njihovi fosili su toliko brojni da ih danas možete kupiti na eBayu za 10 američkih dolara (USD) ili manje. Čak su i najraniji trilobiti imali složene oči s kalcitnim lećama, što je karakteristika jedinstvena za ovu skupinu. Za to vrijeme, ovo je bila impresivna evolucijska inovacija.
Otprilike desetak milijuna godina u paleozoik, dogodilo se vjerojatno najznačajnije evolucijsko zračenje u povijesti života – kambrijska eksplozija. Kambrijska eksplozija dobila je ime zbog geološki iznenadne pojave praktički svih suvremenih phyla, čak i kralježnjaka, predstavljenih prvom ribom bez čeljusti, koja će biti uspješna desecima milijuna godina, sve dok je u ordoviciju ne zamijeni čeljustna riba.
Još jedna od kultnih paleozojskih životinja su euripteridi, morski škorpioni, koji su bili grabežljivci u karijeri praktički cijelo paleozojsko doba, koji su izumrli tek na samom njegovu kraju. Ovi škorpioni su potomci modernih škorpiona, a neki, poput Jaekelopterus, premašili su dva metra duljine. Iako su mnogi paleontolozi vjerojatno razočarani činjenicom da euripteridi nisu tu za proučavanje, većina posjetitelja plaža vjerojatno bi radije voljela da ostanu izumrli.
Paleozoik je doživio evoluciju prve kopnene flore i faune, koja je tijekom tog razdoblja brzo prekrivala većinu Zemljinog kopna. Kopnene biljke evoluirale su iz zelenih algi, isprva visoke samo nekoliko centimetara, dok nisu razvile vaskularno tkivo, a zatim su postale visoke nekoliko stopa. Nakon što su razvile pravo drvo, biljke su se doista mogle “pustiti u slobodu”, naraste na desetke metara u drugom dijelu paleozoika. Tim kopnenim biljkama pridružile su se mnoge paleozojske životinje koje su razvile sposobnost hodanja po kopnu, s neovisnim lozama beskralježnjaka (uglavnom kukaca i kelicerata poput grinja) i kralježnjaka (ribe su počele hodati kopnom i postale vodozemci). Do kraja razdoblja bilo je toliko paleozojskih životinja, praćenih paleozojskom florom, da su uspostavljeni složeni kopneni ekosustavi otprilike analogni onima iz svih budućih era.
Paleozojska era završila je katastrofalnim izumiranjem koje je uništilo 97% morskih rodova i 70% rodova kopnenih kralježnjaka.