Hewan Paleozoikum hidup selama era Paleozoikum, rentang waktu yang sangat panjang yang membentang dari awal periode Kambrium, 542 juta tahun yang lalu, hingga kepunahan Permian-Trias yang dahsyat, sekitar 251 juta tahun yang lalu. Era tersebut meliputi enam periode geologi, dari yang termuda hingga yang tertua, yaitu: Kambrium, Ordovisium, Silur, Devon, Karbon, dan Permian.
Paleozoikum adalah masa perubahan evolusioner yang ekstrem dan fondasi kehidupan seperti yang kita ketahui ditetapkan selama periode ini. Segera sebelum Paleozoikum, hanya ada sedikit, jika ada hewan dengan cangkang keras, dan sejauh yang kami tahu, tidak ada tumbuhan atau hewan darat sama sekali. Hewan Paleozoikum awal terbesar mungkin tidak lebih dari beberapa inci panjangnya, karena komunitas Ediacaran sebelumnya, yang terdiri dari organisme seperti daun sederhana hingga satu meter atau lebih panjangnya, sebagian besar telah mati.
Salah satu hewan Paleozoikum pertama yang terkenal, dan sebenarnya merupakan indikasi awal dari seluruh era, adalah trilobita yang sudah dikenal, artropoda yang sangat banyak yang membentuk kelasnya sendiri, Trilobita. Trilobita adalah salah satu hewan pertama yang memiliki cangkang keras, dan fosilnya sangat banyak sehingga Anda dapat membelinya hari ini di eBay seharga $10 US Dollar (USD) atau kurang. Bahkan trilobita paling awal memiliki mata majemuk dengan lensa kalsit, karakteristik yang unik untuk kelompok tersebut. Untuk saat itu, ini adalah inovasi evolusioner yang mengesankan.
Sekitar sepuluh juta tahun ke Paleozoikum, mungkin radiasi evolusioner paling signifikan dalam sejarah kehidupan terjadi — ledakan Kambrium. Ledakan Kambrium dinamai demikian karena kemunculan tiba-tiba secara geologis dari hampir semua filum modern, bahkan vertebrata, yang diwakili oleh ikan tanpa rahang pertama, yang akan berhasil selama lusinan juta tahun, hingga digantikan oleh ikan berahang di Ordovisium.
Hewan Paleozoikum ikonik lainnya adalah eurypterids, kalajengking laut, yang merupakan predator karir selama hampir seluruh era Paleozoikum, hanya punah pada akhir masanya. Kalajengking ini adalah keturunan kalajengking modern dan beberapa, seperti Jaekelopterus, panjangnya melebihi dua meter. Meskipun banyak ahli paleontologi kemungkinan kecewa karena eurypterids tidak ada untuk dipelajari, sebagian besar pengunjung pantai mungkin lebih suka mereka tetap punah.
Paleozoikum melihat evolusi flora dan fauna terestrial pertama, yang dengan cepat menutupi sebagian besar wilayah daratan bumi selama periode ini. Tumbuhan darat berevolusi dari ganggang hijau, awalnya hanya beberapa inci, sampai mereka mengembangkan jaringan pembuluh darah, kemudian menjadi beberapa kaki tingginya. Setelah mengembangkan kayu sejati, tanaman benar-benar dapat “melepaskan”, tumbuh setinggi puluhan meter pada bagian akhir Paleozoikum. Tumbuhan darat ini bergabung dengan banyak hewan Paleozoikum yang telah mengembangkan kemampuan berjalan di darat, menampilkan garis keturunan independen dari invertebrata (kebanyakan serangga dan chelicerates seperti tungau) dan vertebrata (ikan mulai berjalan di darat dan menjadi amfibi). Pada akhir periode, ada begitu banyak hewan Paleozoikum, disertai dengan flora Paleozoikum, sehingga ekosistem terestrial kompleks yang kira-kira analog dengan semua era masa depan terbentuk.
Era Paleozoikum berakhir dengan kepunahan bencana yang memusnahkan 97% genera laut dan 70% genera vertebrata darat.