植物が陸上（りくじょう）に進出して繁栄（はんえい）したことで，大気中の酸素濃度（さんそのうど）はさらに高くなり，動物の上陸（じょうりく）が可能（かのう）な状態（じょうたい）となった。
デボン紀末期（きまっき）になると，総鰭類（そうきるい）のなかまから，陸上（りくじょう）生活をする原始的（げんしてき）な両生類（りょうせいるい）が進化した。最古（さいこ）の両生類（りょうせいるい）として知られるイクチオステガは，陸上（りくじょう）で呼吸（こきゅう）をするための肺（はい）と，陸上（りくじょう）を歩行するための四肢（しし）を発達（はったつ）させていた。また，水中に比（くら）べて重力の影響（えいきょう）が大きいため内臓（ないぞう）を支（ささ）える役割（やくわり）をもつ肋骨（ろっこつ）も発達（はったつ）していた。その後の石炭紀（せきたんき）は両生類（りょうせいるい）の全盛期（ぜんせいき）となり，多様なグループが繁栄（はんえい）した。両生類（りょうせいるい）の皮膚（ひふ）は鱗（うろこ）に覆（おお）われておらず，また受精（じゅせい）と胚発生（はいはっせい）は水中で行われるため，生活の場は水辺（みずべ）に限（かぎ）られていた。この時代の両生類（りょうせいるい）は，魚類（ぎょるい）のほかに，昆虫（こんちゅう）やシダ植物を餌（えさ）とするものが多かったと考えられている。
一方，節足（せっそく）動物でもデボン紀末期（きまっき）になると陸上（りくじょう）生活をする昆虫類（こんちゅうるい）やクモ類（るい）が現（あらわ）れ，石炭紀（せきたんき）の地層（ちそう）からはゴキブリや，広げた翅（はね）の長さが80cmにもなる巨大（きょだい）なトンボの化石も見つかっている。この時代は温暖（おんだん）で酸素濃度（さんそのうど）が高かったと考えられている。

古生代（こせいだい）の石炭紀（せきたんき）に，両生類（りょうせいるい）からハチュウ類（るい）が進化した。その後，中生代（ちゅうせいだい）になるとハチュウ類（るい）が大繁栄（はんえい）した。ハチュウ類（るい）は地上で繁栄（はんえい）した恐竜（きょうりゅう）だけでなく，水中には魚竜（ぎょりゅう），空中には翼竜（よくりゅう）などが出現（しゅつげん）し，地球上のあらゆる環境（かんきょう）に進出していった。ハチュウ類（るい）は体表に厚（あつ）い鱗（うろこ）をもち，体内受精（たいないじゅせい）を行い，卵殻（らんかく）の中で羊膜（ようまく）と呼（よ）ばれる胚（はい）を包（つつ）む膜（まく）が発達（はったつ）して胚（はい）が羊水中で発生するようになった。こうした性質（せいしつ）により完全な陸上（りくじょう）生活が可能（かのう）になった。恐竜（きょうりゅう）のなかには，群（む）れで行動したり，巣（す）をつくって子育てをしたりするものもいた。また，羽毛（うもう）が生えた肉食恐竜（きょうりゅう）も見つかっており，体温保持（ほじ）の役割（やくわり）があったと考えられている。中生代（ちゅうせいだい）の終わりになると，2億（おく）年もの長期にわたって繁栄（はんえい）した大形ハチュウ類（るい）はほとんど絶滅（ぜつめつ）した。またこれと時を同じくして，海中ではアンモナイトが絶滅（ぜつめつ）しており，地球規模（きぼ）での環境変化（かんきょうへんか）が起きたと考えられている。その原因（げんいん）として，地球に衝突（しょうとつ）した巨大（きょだい）いん石による地球環境（かんきょう）の大変動（へんどう）が挙（あ）げられているが，まだ定説（ていせつ）とはなっていない。

鳥類（ちょうるい）は小形の肉食恐竜（きょうりゅう）から進化したと考えられている。鳥類（ちょうるい）とハチュウ類（るい）の中間的な形質（けいしつ）を示（しめ）す始祖鳥（しそちょう）は，中生代（ちゅうせいだい）ジュラ紀（き）の化石として発見されている。始祖鳥（しそちょう）には，現生（げんせい）の鳥類（ちょうるい）にはなく，ハチュウ類（るい）にはある前肢（ぜんし）（翼（つばさ））の先端（せんたん）の指，歯，長い尾骨（びこつ）などがある一方で，羽毛（うもう）が前肢（ぜんし）や尾（お）にみられる。しかし，強力な翼筋（よくきん）をつけるための幅広（はばひろ）く大きな胸骨（きょうこつ）は発達（はったつ）していないため，飛行（ひこう）能力（のうりょく）は高くなかったと考え られる。現生鳥類（げんせいちょうるい）の直接（ちょくせつ）の祖先（そせん）は，化石の記録（きろく）などから白亜紀（はくあき）中期に出現（しゅつげん）したと考えられている。鳥類（ちょうるい）は新生代（しんせいだい）になって大発展（だいはってん）をとげた。 哺乳類（ほにゅうるい）の祖先（そせん）は，中生代（ちゅうせいだい）の三畳紀（さんじょうき）に出現（しゅつげん）していたが，中生代（ちゅうせいだい）の終わりまでは小形で，あまり多様化していなかった。白亜紀（はくあき）になると，現在（げんざい）の有袋類（ゆうたいるい）（カンガルーなど），単孔類（たんこうるい）（カモノハシなど），有胎盤類（ゆうたいばんるい）（有袋類（ゆうたいるい）と単孔類（たんこうるい）以外（いがい）の哺乳類（ほにゅうるい））の祖先（そせん）が現（あらわ）れた。白亜紀（はくあき）の終わりに恐竜（きょうりゅう）などの大形ハチュウ類（るい）が絶滅（ぜつめつ）して新生代（しんせいだい）になり，寒冷（かんれい）化や乾燥（かんそう）化が進むにつれ哺乳類（ほにゅうるい）は大発展（はってん）をとげ，地球上のさまざまな環境（かんきょう）に適応（てきおう）していった。哺乳類（ほにゅうるい）の特徴（とくちょう）である体毛は体温保持（ほじ）の役割（やくわり）を果（は）たし，また，乳腺（にゅうせん）は子育てに使われる。