是什么可能造成寒武纪的海洋中生命这样的迅猛繁荣呢？科学家们提出几种假说。一种理论基于达尔文的进化论，认为生命的多样性是由于种间竞争和自然选择的结果：适者生存的一个典型例子。只有那些进化出防护性的甲壳或硬体部分的生物，才能抵抗新生的饥饿的捕食者的屠戮而生存下来。但是这一时期进化速度之快，似乎与达尔文自然选择的渐进过程并不相符。还有一种理论认为，环境的变化加快了寒武纪生命的繁荣。这时早期超级大陆已经分裂，海陆的分布格局已经改变。氧气浓度的增高和气候的变暖，使得新生的海洋更有利于生命的存在，或者可能是大陆的运动使海域扩大了，为特殊的生命形式提供了更多的栖息地。第三种理论认为，这一时期发生了一次灾难性的小行星撞击事件，改变了海洋的条件，为生命的繁荣扫清了障碍。还有人认为性别的出现是生物大繁荣的真正原因。在出现性的繁殖之前，生物基本上是靠自我分裂的方式进行繁殖的，这是一种简单地把基因物质混合从而产生变化的方式。出现了性的繁殖后，基因物质就可以在种内快速混合，更快地发生变异，从而进化到新的生命形式。几乎没有什么证据来支持上述的任何一种理论；但几乎可以肯定的是，科学家将继续寻找这些“为什么？”的答案。
4．5亿年前，古代海洋中不但充斥着蠕行的三叶虫，还有许多个头更大、能力更强的捕食者。乌贼状的头足类动物和鱼类开始出现。最初的鱼类是无颌的像鳗鱼一样的生物，它们沿着海底游泳，大口大口地摄取水和富含有机质的泥。这些早期鱼类的现代代表有七鳃鳗和盲鳗，由于它们被捉住时会渗出大量的泥而更适于称之为泥鱼。许多的早期鱼类个头小，具有一层骨质鳞片和护板组成的“壳体皮肤”。壳体皮肤很重，使它们只能在近海底活动，由于缺少鳍，它们的灵活性受到限制。后来，鱼类进化出颚，成了优秀的游泳者和能力更强的捕食者。一些种类将保持小的个头，浑身长着尖刺，而另一些种类的个体开始变大。最早的有颚类鱼无论怎么说都是个怪物，体长可达9米，巨大的颚能够一口吞下猎物。矛尾鱼是另一种原始的有颚鱼类，曾被认为已经灭绝了，但在20世纪30年代，一艘拖网渔船在马达加斯加南部曾捕到过一只矛尾鱼。后来，在印度尼西亚的深水区以及印度洋中也捕到过矛尾鱼。矛尾鱼呈蓝灰色，具有银色的条纹和大的板状鳞片，因为4亿年以来没有什么改变，所以被称为活化石：几个科学家非常固执地对活着的矛尾鱼进行收集和研究工作，但都没有成功。
一些人认为，大约4．4亿年前，地球经历了一次气候的巨变。在北非、巴西和阿拉伯半岛发现的冰期遗迹表明，此时地球又进入了冰期时代。海洋中的水冻结成不断扩大的冰盖，造成海平面急剧降低，许多浅水海洋栖息地逐渐消失。一些生物被一扫而净，而其余的生存下来并逐渐恢复——这是地球历史中不断重复的一个过程。生命发展起来，变得多样化，随后周期性地受到一次毁灭性事件的重创，每次打击如此之大，以至引发了一次次的生物灾难；一些生命形式毁灭殆尽，而其他的则活下来，并开始恢复，繁殖，继续着演化进程。
大约4亿年前泥盆纪早期，有颚鱼类的基本结构比较适于环境，它们在海洋中占据了统治地位。一种奇特的泥盆纪鱼类具有与现代鱼类一样的后半部的结构——一条类似鲨鱼状的尾巴；身体的前半部则较原始，被骨质的壳板所包被。它的腿像螃蟹，眼睛和嘴像青蛙。随着时间的推移，这种早期鱼类的沉重的壳板完全消失了，取而代之的是较轻的灵活的较多的鳞片。有意思的是，科学家们认为鲨鱼和所有其他脊椎动物（包括人类）的牙齿都是从这些早期鱼类的鳞片或护板演化来的。
几百万年来，无脊椎动物如三叶虫和棘皮动物统治着海洋，但它们的灵活性受到了外骨骼的限制。当鱼类带着内骨骼出现时，它们就拥有了生存优势。内骨骼使鱼类可以长得更大，更强壮。鱼类成了更好的游泳者，它们更加灵活，体形更加流畅，游起来更快。它们具有双鳍，因而可以停下来、转向和使用技巧，就像一架飞机或一艘潜艇一样；它们的双鳍还可以防止翻滚、颠簸和偏航。
鲨鱼是一种软骨鱼类，也出现于古生代。最初的鲨鱼与现代的各种鲨鱼相似，也具有长长的身体，很大的三角形鳍和一条具有尾叶的朝上坚耸的尾巴。早期的鲨鱼有两个背鳍和一对胸鳍，有些在前部的背鳍上还有一个骨质的棘或像刷子一样的结构。每个鲨鱼颌的旁边都伴生着一层像传送带一样的齿龈组织。在鲨鱼具有周期性的牙床中，逐渐生出由磷酸钙构成的锋利的牙齿。因种类不同，鲨鱼的牙齿的更换周期有的是几天，有的是几周。由于鲨鱼和桠鱼没有真正的骨架，对它们古代祖先的了解主要来自牙齿化石，偶尔从保存下来的构成鲨鱼皮的微小齿状物中，我们也可以了解到一些信息。鲨鱼牙齿化石是比较丰富的——因为在鲨鱼的一生中，可以产生上千颗牙齿。
多刺鱼类和鲨鱼扩展着它们的生存空间，种类变得多样化起来。早期鱼类中，有的甚至来到陆地上，生活在潮湿的泥洼中。原始的肺鱼，因其辅助的肺而得名，可以呼吸空气，并利用一对强健有力的鳍在陆地上蹒跚而行。不难想像，肺鱼后来是怎样进化成陆栖生物的。
大约4亿年前，地球的外貌开始发生变化。植物从水下世界出现，并来到陆地上，最早的昆虫开始在天空出现，动物开始在海滨游荡，苔藓和蕨类植物使原本荒芜的大地披上了一层新的绿色，森林开始出现。大片的沼泽取代了早期的海洋环境，干燥的风在广袤的沙漠地区吹扬。海洋和海岸带之间的竞争变得激烈起来，动物被迫迁向陆地以寻求安定的环境和新的食物来源。最早离开潮湿世界的生物是早期的两栖动物——现代青蛙、蟾蜍和蝾螈的祖先。它们的化石和保存下来的遗迹表明，它们通常生活在小溪和沼泽里，以捕食昆虫、鱼类和自己的同类为生，但偶尔它们也会冒险来到干燥的陆地上。在两栖动物的一生中，由于他们要返回海洋产卵，所以不能一直远离水。它们向陆栖动物的转化还是不完全的。对于海洋生物来说，它们第一次从海洋到陆地的过程就像一场噩梦——太阳的酷热、身体受到无法避免的重力的拖曳、怪模怪样的食物和不可知的捕食者。但毕竟生命承受下来了，动物进化出了适于陆地生活的骨骼和细胞结构。
大约3亿年前，真正的陆地生物——爬行动物首次出现。与两栖动物不同，爬行动物产的卵有一层坚韧的钙质外壳，这使得产卵可以在陆地上进行，它们就不必周期性地返回海洋了。最初的爬行动物是个体小、样子像蝾螈一样的生物。但它们生长和分化得很快，一些成为食草动物，以植物为生；而其他的则成了食肉动物，以肉为生。有几种大蜥蜴在背部有一条扇子状的大“尾巴”，可能是调节体温用的：是大自然独创的太阳能板。
2．7亿年前二叠纪时期，古生代接近了尾声。在地球舞台上出演的角色名单再次爆满，海洋中的生命熙来攘往，一片繁荣景象。气候变暖了，浅海覆盖着地球表面的许多地区。这时的海洋环境有利于海洋中生命的成长。滤食生物在海底占着统治地位。、高高的花一样的海百合随着海流飘动，有时高度可达3米。海百合是海洋中的百合花，它们的花柄呈圆柱状，又细又长，这些柄由大小合适的石灰石圆盘组成，顶端是一簇触角。腕足动物几百只一群静静地呆着不动，通过它们蚌蛤一样的身体过滤着海水。苔藓虫在碎石堆上繁衍，建造起五颜六色的种群，有的像小树枝，有的像扇子，有的像人的手指。在珊瑚礁上，珊瑚虫相对于其他制造石灰石的生物要逊色一些。海绵、苔藓虫、海藻和有孔虫可以堆积成巨大的石灰石结构。这些由碳酸钙组成的海底小山不断生长着，上面到处是海洋生物，有的在爬动，有的在游弋，有的则静止不动。多刺鱼类和软骨类的鲨鱼也扩展开来，并出现了分化。甚至连沼泽中都充满了有着巨颌和一对尖牙的鳗一样的鲨鱼。海洋中到处是生机：巨大的珊瑚礁里挤满了海洋生物，表层的海流中密布着浮游植物，地球的水域里分布着大量的鱼类。
但是到了大约2．5亿年前，某个事件的发生，使地球上的生命几乎都被消灭光了。大灭绝降下了二叠纪和古生代结束的幕布。在这次大灭绝中，当时存在的所有种类有90％被杀死了，地球上一次伟大的生物改组开始了。三叶虫和几种甲壳类动物以及珊瑚虫完全消失了。小个体的有孔虫不见了，腕足动物、苔藓虫、海百合和鱼类也损失惨重。陆地上，两栖动物和昆虫的数量急剧降低。
许多人认为，二叠纪末的大灭绝发生在一段相对比较短的时期内，大约有几百万年，但还没有人发现确切的证据来说明发生的原因。对这次生物灾难的解释有几种，包括气候的巨变，海平面的急剧降低，贫氧水的上涌，有毒物质的出现，以及生物链中几个关键种类的消失。最近的研究表明，二叠纪的大灭绝实际上发生在50万年以内，这使一些科学家得出这样的结论：大灭绝是由于一个巨大的小行星或彗星撞击地球所致。而其他科学家认为，二叠纪末的大灭绝与大陆构造的改变以及地球深处火山活动的加剧有关。在西伯利亚，这一时期的火山岩浆形成的一个大堆，厚约3公里，面积有250万平方公里。科学家们认为，这次熔融物质的大量喷涌反映了地球上火山活动比较激烈的一个时期。大量的灰尘、二氧化碳、水蒸气和二氧化硫将喷射向天空。大气中的水可能与二氧化硫结合形成酸雨。暴雨急流将使地表陷入酸雨腐蚀性的洗浴中。但是即使这是地球和生命历史中最有影响的事件之一，我们还是不知道它是怎样发生的，或者说不知道它为什么会发生。
中生代：中期生命的危机
大约2．5～2．45亿年前，地球进入了中生代时期，海洋中和陆地上出现了一个新的世界秩序，地球的环境也在发生着改变。板块运动再次将大陆形成了一块我们称之为泛古陆的庞大陆地。这一新生的超级大陆覆盖了大约40％的地球表面，从南极一直延伸到北极。一个广袤的世界性大洋围绕着泛古陆，被称为泛古洋。泛古洋与现代的太平洋的深度差不多，宽度却是太平洋的两倍。在泛古洋中，风和其他的表面作用力创造了两个巨大的水流运动循环模式，称为环流，一个位于北半球，一个位于南半球。沿着泛大陆的东西海岸，水温有着显著的不同。海平面相对较低，沿着大陆的边缘，浅水栖息地变少了，气候炎热干燥。浅海和深海的水温依然温暖，海水的盐度和化学成分与现代海洋十分一致。气候随季节和纬度改变，但在极地并没有形成广阔的冰川和冰盖。
大约1．7～2亿年前，使地球大陆结合到一起的作用力又将泛古陆撕开，生成了两块较大的陆地——北面的劳亚古陆和南面的冈瓦纳大陆。在两块大陆之间，形成了一条沿着赤道的狭窄水道——蒂锡斯海。在蒂锡斯海的水道中的水流，产生了一个在整个广袤的泛古洋中输送热量的巨大的、全球性的洋流。不久，两块大陆分裂，形成了古大西洋和古印度洋。海平面迅速上升，淹没了陆地，再一次形成了广阔的浅海环境。此时，地球的气候变暖了。
在二叠纪——三叠纪大灭绝中生存下来的生物复苏得很慢，但在不到1亿年的时间里，动植物再一次繁盛起来，并出现了一些个体非常大的新的种类。二叠纪大灾难时，陆地上已经出现了爬行动物，它们的数量虽然减少了，但并没有灭绝。大约2亿年前，爬行动物中出现了地球上最庞大、最凶猛的捕食者——恐龙。整个中生代，恐龙繁衍着、演化着，成了陆地上的统治者。一些种类的恐龙走向海洋。蛇颈龙，具有短而宽的头和长长的脖子，体长可生长到3．6米（12英尺），能利用巨大的骨质鳍状肢游泳。鱼龙看起来类似于现代的海豚，也具有非凡的游泳技巧，是海洋中优秀的捕食者。还有沧龙，一种具有长长的身体和鳍状肢的异常巨大的像蜥蜴的恐龙，也在水下到处游弋。海中的恐龙以鲨鱼和骨质鱼类为食，也有一些种类利用特殊的牙齿和颚来捕食贝类。海龟也出现在中生代的海洋中，它们体形庞大，体长几乎达到了4米。新演化出来的鸟类成为空中的捕食者，它们能像导弹一样俯冲入水中捕食鱼类。鱼类演化成为更大、更灵活的游泳种类；鲨鱼的外貌与现代的种类相似，但种类上更具多样性。在海洋恐龙骨骼的化石上，发现了撕咬的痕迹，表明鲨鱼不仅仅是海洋爬行动物的猎物，它们同样也可以捕食海洋中的爬行动物。鳐鱼从鲨鱼的祖先演化而来，开始以它们优美的泳姿在水下“飞翔”，大多数的鳐鱼是深海种类，终日躺在海底，但有一些种类，例如蝠鲼能以无可比拟的优美泳姿在海洋中游弋。到了中生代后期，海洋中相继出现了灰鳐、虹、锯鳐和早期的电鳗。
在中生代，软体动物极其多样化，数量也膨胀起来。软体动物一词来自于拉丁术语“mollis，意即柔软，指的是生活在壳体内的柔软的身体。现代的大多数贝类，如蚌、扇贝、牡蛎、蜗牛等都是软体动物。一些头足类的软体动物根本没有壳体，属于软体动物的一个亚类，是一种灵活、移动敏捷、肉食性的捕食者，这类动物包括鱿鱼、乌贼、章鱼、鹦鹉螺和已经灭绝的菊石。
头足类动物从古生代开始演化，成为中生代数量最多、最成功的海洋生物之一。鹦鹉螺是这一时期头足类中的一种，它们是一种具有触角、身体柔软的生物，生活在美丽的盘绕着的贝壳里。鹦鹉螺在成长过程中，可以在不断扩大的贝壳内制造一间更新、更大的小室供居住用，空余出来的原先的小室只用作浮力控制的装置，与潜水艇的装置非常相似。到鹦鹉螺成熟后，它能制造出一个有许多小室的贝壳。与蜗牛不同，鹦鹉螺的盘绕着的贝壳是位于单一平面内的。因为每一个小室中的气体和流体抵消了鹦鹉螺的体重，所以，即使鹦鹉螺被一个很重的、坚硬的壳保护着，它同样也是一种快速的、捕食性的游泳类生物。鹦鹉螺在古生代和中生代非常普遍，但是，现代的种类只有发现于南太平洋和印度洋深处的带小室的鹦鹉螺。