Τα παλαιοζωικά ζώα έζησαν κατά την Παλαιοζωική εποχή, ένα τεράστιο χρονικό διάστημα που εκτείνεται από την αρχή της περιόδου της Κάμβριας, πριν από 542 εκατομμύρια χρόνια, έως την καταστροφική εξαφάνιση της Πέρμιας-Τριαδικής περιόδου, περίπου 251 εκατομμύρια χρόνια πριν. Η εποχή περιλαμβάνει έξι γεωλογικές περιόδους, και από τη νεότερη έως την παλαιότερη, είναι: η Κάμβρια, η Ορδοβικανή, η Σιλούρια, η Δεβονική, η Καρβονοφόρος και η Πέρμια.
Το Παλαιοζωικό ήταν μια εποχή ακραίων εξελικτικών αλλαγών και τα θεμέλια της ζωής όπως τη γνωρίζουμε τέθηκαν κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου. Αμέσως πριν από το Παλαιοζωικό, υπήρχαν λίγα, αν όχι καθόλου ζώα με σκληρό κέλυφος, και από όσο γνωρίζουμε, δεν υπήρχαν καθόλου φυτά ή ζώα της ξηράς. Το μεγαλύτερο ζώο της πρώιμης Παλαιοζωικής δεν ήταν πιθανώς μεγαλύτερο από μερικές ίντσες σε μήκος, καθώς οι προηγούμενες κοινότητες του Ediacaran, που αποτελούνταν από απλούς οργανισμούς που έμοιαζαν με φύλλα μήκους έως και ενός μέτρου, είχαν κυρίως εξαφανιστεί.
Ένα από τα πρώτα γνωστά ζώα του Παλαιοζωικού, και μάλιστα ενδεικτικό της αρχής ολόκληρης της εποχής, ήταν ο γνωστός τριλοβίτης, ένα εξαιρετικά πολυάριθμο αρθρόποδο που σχημάτισε τη δική του τάξη, το Trilobita. Οι τριλοβίτες ήταν από τα πρώτα ζώα που είχαν σκληρά κοχύλια και τα απολιθώματα τους είναι τόσο πολλά που μπορείτε να τα αγοράσετε σήμερα στο eBay για $10 δολάρια ΗΠΑ (USD) ή λιγότερο. Ακόμη και οι πρώτοι τριλοβίτες είχαν σύνθετους οφθαλμούς με φακούς ασβεστίτη, ένα χαρακτηριστικό μοναδικό για την ομάδα. Για την εποχή, αυτή ήταν μια εντυπωσιακή εξελικτική καινοτομία.
Περίπου δέκα περίπου εκατομμύρια χρόνια στο Παλαιοζωικό, συνέβη πιθανώς η πιο σημαντική εξελικτική ακτινοβολία στην ιστορία της ζωής – η έκρηξη της Κάμβριας. Η έκρηξη της Κάμβριας πήρε το όνομά της λόγω της γεωλογικά ξαφνικής εμφάνισης σχεδόν όλων των σύγχρονων φυλών, ακόμη και των σπονδυλωτών, που αντιπροσωπεύονται από το πρώτο ψάρι χωρίς γνάθο, το οποίο θα ήταν επιτυχές για δεκάδες εκατομμύρια χρόνια, έως ότου αντικατασταθεί από ψάρια με γνάθο στην Ορδοβικιανή.
Ένα άλλο από τα εμβληματικά ζώα του Παλαιοζωικού είναι τα ευρυπτέριδα, οι θαλάσσιοι σκορπιοί, που ήταν αρπακτικά της καριέρας σχεδόν για ολόκληρη την Παλαιοζωική εποχή, και εξαφανίστηκαν μόλις στο τέλος της. Αυτοί οι σκορπιοί είναι απόγονοι των σύγχρονων σκορπιών και ορισμένοι, όπως ο Jaekelopterus, ξεπέρασαν τα δύο μέτρα σε μήκος. Αν και πολλοί παλαιοντολόγοι είναι πιθανότατα απογοητευμένοι που τα ευρυπτέριδα δεν είναι γύρω για μελέτη, οι περισσότεροι θαμώνες της παραλίας θα προτιμούσαν πιθανώς να παραμείνουν εξαφανισμένα.
Το Παλαιοζωικό είδε την εξέλιξη της πρώτης χερσαίας χλωρίδας και πανίδας, η οποία κάλυψε γρήγορα το μεγαλύτερο μέρος της χερσαίας έκτασης της Γης κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου. Τα φυτά της ξηράς εξελίχθηκαν από πράσινα φύκια, στην αρχή μόλις λίγα εκατοστά ψηλά, έως ότου ανέπτυξαν αγγειακούς ιστούς, μετά έγιναν μερικά πόδια ψηλά. Μετά την ανάπτυξη του αληθινού ξύλου, τα φυτά θα μπορούσαν πραγματικά να «χαλαρώσουν», αυξάνοντας πολλές δεκάδες μέτρα ύψος στο τελευταίο μέρος του Παλαιοζωικού. Αυτά τα χερσαία φυτά ενώθηκαν από πολλά Παλαιοζωικά ζώα που είχαν εξελίξει την ικανότητα να περπατούν στη στεριά, με ανεξάρτητες γενεαλογίες ασπόνδυλων (κυρίως έντομα και χηλικά όπως ακάρεα) και σπονδυλωτών (τα ψάρια άρχισαν να περπατούν στη στεριά και έγιναν αμφίβια). Μέχρι το τέλος της περιόδου, υπήρχαν τόσα πολλά παλαιοζωικά ζώα, συνοδευόμενα από παλαιοζωική χλωρίδα, που δημιουργήθηκαν περίπλοκα χερσαία οικοσυστήματα περίπου ανάλογα με εκείνα όλων των μελλοντικών εποχών.
Η Παλαιοζωική εποχή έφτασε στο τέλος της με μια καταστροφική εξαφάνιση που εξαφάνισε το 97% των θαλάσσιων γενών και το 70% των χερσαίων γενών σπονδυλωτών.