Paleozoiset eläimet elivät paleozoisen aikakauden aikana, valtava ajanjakso, joka ulottui kambrialaisen ajanjakson alusta, 542 miljoonaa vuotta sitten, katastrofaaliseen Permin ja Triassin sukupuuttoon, noin 251 miljoonaa vuotta sitten. Aikakausi käsittää kuusi geologista ajanjaksoa, ja nuoresta vanhimpaan, ne ovat: kambrialainen, ordoviikialainen, silurilainen, devonilainen, hiili- ja permiaalinen.
Paleozoic oli äärimmäisen evoluutiomuutoksen aikaa ja elämän perustukset, sellaisina kuin me sen tunnemme, asetettiin tänä aikana. Välittömästi ennen paleozoikkaa oli vain vähän, jos ollenkaan, kovakuorisia eläimiä, ja sikäli kuin tiedämme, ei ollut maa -kasveja tai -eläimiä. Suurin varhainen paleozoinen eläin oli luultavasti enintään muutaman tuuman pituinen, koska aikaisemmat Ediacaran-yhteisöt, jotka koostuivat yksinkertaisista, jopa metrin pituisista, kaltaisista organismeista, olivat enimmäkseen kuolleet.
Yksi ensimmäisistä tunnetuista paleozoisista eläimistä ja itse asiassa koko aikakauden alku, oli tuttu trilobiitti, erittäin lukuisa niveljalka, joka muodosti oman luokkansa, Trilobitan. Trilobiitit olivat ensimmäisiä eläimiä, joilla oli kovia kuoria, ja niiden fossiileja on niin paljon, että voit ostaa niitä tänään eBayssa hintaan 10 dollaria tai vähemmän. Jopa varhaisimmilla trilobiiteilla oli yhdistetyt silmät, joissa oli kalsiittilinssejä, ominaisuus ryhmälle. Siihen aikaan tämä oli vaikuttava evoluutioinnovaatio.
Noin kymmenen miljoonan vuoden kuluttua paleozoikista tapahtui luultavasti merkittävin evoluutiosäteily elämän historiassa – kambrian räjähdys. Kambrialainen räjähdys on saanut nimensä, koska lähes kaikki nykyaikaiset fylat, jopa selkärankaiset, geologisesti äkillisesti ilmestyivät, ensimmäiset leukattomat kalat, jotka menestyisivät kymmeniä miljoonia vuosia, kunnes Ordovican leuka korvataan.
Toinen ikonisista paleozoisista eläimistä ovat eurypteridit, meriskorpionit, jotka olivat uraeläimiä käytännöllisesti katsoen koko paleozoisen aikakauden aikana ja kuolivat sukupuuttoon vasta lopussa. Nämä skorpionit ovat modernien skorpionien jälkeläisiä, ja jotkut, kuten Jaekelopterus, ylittivät kaksi metriä. Vaikka monet paleontologit ovat todennäköisesti pettyneitä siihen, että eurypteridit eivät ole opiskelemassa, useimmat rannalla vierailevat mieluummin mieluummin, että ne pysyvät sukupuuttoon.
Paleozoic näki ensimmäisen maanpinnan kasviston ja eläimistön kehityksen, joka kattoi nopeasti suurimman osan maapallon pinta -alasta tänä aikana. Maakasvit kehittyivät viherlevästä, aluksi vain muutaman tuuman korkeudesta, kunnes ne kehittivät verisuonikudoksia, sitten niistä tuli muutaman metrin korkeita. Aidon puun kehittämisen jälkeen kasvit voisivat todella “päästää irti” ja kasvaa kymmeniä metrejä paleozoisen jälkipuoliskolla. Näihin maakasveihin liittyi monia paleosoisia eläimiä, jotka olivat kehittäneet kyvyn kulkea maalla, ja niissä oli selkärangattomia (lähinnä hyönteisiä ja cheliceraatteja, kuten punkkeja) ja selkärankaisia (kalat alkoivat kävellä maalla ja niistä tuli sammakkoeläimiä). Kauden loppuun mennessä paleozoisia eläimiä oli niin paljon paleozoisen kasviston mukana, että muodostettiin monimutkaisia maanpäällisiä ekosysteemejä, jotka olivat suunnilleen samanlaisia kuin kaikkien tulevien aikakausien.
Paleotsoinen aikakausi päättyi katastrofaaliseen sukupuuttoon, joka tuhosi 97% merisukuista ja 70% maanpäällisistä selkärankaisista.