最初（さいしょ）の多細胞（たさいぼう）生物が現（あらわ）れたのは約（やく）10億（おく）年前の先（せん）カンブリア時代（じだい）と考えられている。およそ6億5千万（おく５せんまん）年前の先（せん）カンブリア時代（じだい）末期（まっき）になると，多細胞（たさいぼう）生物が数多く出現（しゅつげん）し始めた。オーストラリア南部のエディアカラで見つかった生物群（せいぶつぐん）はその代表的なものである。このエディアカラ生物群（せいぶつぐん）は，現生（げんせい）のクラゲのような軟（やわ）らかい体をしており，まだ運動能力（のうりょく）などは高くなかったと考えられる。これらの生物群（せいぶつぐん）は現生（げんせい）の生物群（せいぶつぐん）と大きく異（こと）なっており，その類縁関係（るいえんかんけい）はよくわかっていない。
およそ5億（おく）4千万（せんまん）年前から始まる古生代（こせいだい）カンブリア紀（き）になると，海水中の酸素濃度（さんそのうど）はさらに高まり，生物が呼吸（こきゅう）を行ううえで有利（ゆうり）な環境（かんきょう）ができあがった。また，体の硬（かた）い組織（そしき）を発達（はったつ）させるために必要（ひつよう）なカルシウムイオンが海水中で豊富（ほうふ）になった。こうした環境変化（かんきょうへんか）とともに，海中で多数の多細胞（たさいぼう）動物が誕生（たんじょう）し，軟体（なんたい）動物，環形（かんけい）動物，節足（せっそく）動物，棘皮（きょくひ）動物など，現在（げんざい）みられるほとんどの動物門が出現（しゅつげん）したが，現生（げんせい）のものとは大きく異（こと）なる動物もみられた。この時期の大形動物の急速な多様化は「カンブリア大爆発（だいばくはつ）」と呼（よ）ばれている。カナダのロッキー山脈（さんみゃく）のバージェス峠（とうげ）近くから見つかったバージェス動物群（どうぶつぐん）は特（とく）に有名で，三葉虫（さんようちゅう）をはじめ，大形の肉食動物であるアノマロカリスや，現生（げんせい）のナメクジウオに似（に）たピカイアなど，現在（げんざい）では絶滅（ぜつめつ）した動物の化石が多数見つかっている。
カンブリア紀（き）に出現（しゅつげん）した海生無脊椎（むせきつい）動物は，カンブリア紀末（きまつ）にはほとんど絶滅（ぜつめつ）した。
オルドビス紀末（きまつ）に入ると，浅（あさ）い海では，ウミユリ（棘皮（きょくひ）動物のなかま），オウムガイ，腕足類（わんそくるい）（現生（げんせい）のシャミセンガイのなかま）など多数の生物種（せいぶつしゅ）が生息していた。デボン紀（き）や石炭紀（せきたんき）には，浅（あさ）い海に多数生息していたウミユリが，多量（たりょう）に集積（しゅうせき）しウミユリ石灰岩（せっかいがん）を形成（けいせい）した。魚類（ぎょるい）ではシーラカンスやサメなどの軟骨魚類（なんこつぎょるい）が出現（しゅつげん）した。三葉虫（さんようちゅう）はシルル紀（き）以降（いこう）には種類数（しゅるいすう）が少なくなり，一部は体を丸めることによって捕食者（ほしょくしゃ）の攻撃（こうげき）から身を守るものが出現（しゅつげん）した。古生代後期（こせいだいこうき）の石炭紀（せきたんき），ペルム紀（き）には大形有孔虫（ゆうこうちゅう）のなかまであるフズリナ類（るい）が浅（あさ）い海に繁栄（はんえい）した。
古生代（こせいだい）の海で栄（さか）えた三葉虫（さんようちゅう）などの動物群（どうぶつぐん）は，その多くが古生代（こせいだい）の終わりに絶滅（ぜつめつ）した。これは地球上で何度か起きた大量絶滅（たいりょうぜつめつ）のなかで最大（さいだい）のものであり，酸素濃度（さんそのうど）の低下（ていか）が原因（げんいん）であると考えられている。一方，アンモナイトの祖先（そせん）は絶滅（ぜつめつ）を免（まぬが）れ，中生代（ちゅうせいだい）に繁栄（はんえい）をとげることになる。