45亿年前，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44亿年前，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仔环境，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。悔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采的遗迹表明，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。
27亿年前二叠纪时期，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25亿年前，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。
现代生命时代的发展
白垩纪的结束标志着新生代——现代生命时代的开始。新生代的时间跨度从6500万年前直到现在，它与以往的历史时期有着显着的差别。这时，生命发展的条件已经具备，就看谁能够适应、对抗和忍受正在变化的环境条件了。脆弱的物种将不得不与捕食者和多变的环境做斗争；只有强健的个体才能生存。在海底和陆地上，形成了高耸的山脉，永久性地改变了地球的气候。海洋的温度和环流都发生了意义深远的变化，影响着地球和地球上生命的分布。哺乳动物成为陆地的统治者，并最终进化成为人类的祖先。
与较早的历史时期相比，我们对新生代的了解比过去的历史时期要多得多，因为我们能够得到更完整的化石和岩石记录。虽然描述新生代的着作非常多，但这一时期仅仅只占了地球45亿年历史的15％。
在6500万年前，当K-T撞击的尘埃和灰烬落尽的时候，地球的表面开始变得有些和现代相似了，出现了广阔的陆地和越来越大的海盆。这时，早期的南大西洋位于非洲和南美大陆之间，狭窄的北大西洋正在欧洲和北美大陆之间形成。曾经和南极洲相连的澳洲大陆已经分离开来，并慢慢向北移动。同时，印度板块已经与非洲大陆分离，并向北移动，很快将与亚洲大陆相撞。新生代早期，大陆位置的改变和海盆的扩张对古代海洋的环境有较大的影响，不久，对整个地球都将产生影响。古地中海水道和它的赤道环流停止了。澳洲和南美大陆正向北移动，南极洲更加接近南极，一股新的环流正沿着南部大陆形成。地球正在变成一个有着多个海盆的星球，一条巨大的海底裂缝和山脉横贯地球的表面，像一个不断扩大的伤口一样。最后，大洋中脊将在地球表面蜿蜒达60000公里，成为地球上最大的但沉没于海底的山脉。
目前的一个理论认为，在新生代早期6000～5500万年前，当地球和地球上的生物正在从K-T碰撞中复苏时，是一段陆地上和海洋中发生强烈的全球变暖的时期。可能加勒比海猛烈的火山喷发和大量的甲烷涌出海底，使得地球变得更加温暖。有人认为，海洋变暖和它所引起的深层海水的滞流导致了另一次大规模的海洋生物的灭绝，尤其是深海有孔虫的许多种类。陆地上，全球变暖的这段时期为哺乳动物的繁殖和它们在大陆上的扩张铺平了道路。
那些经历了中生代后期行星大碰撞生存下来的生物开始复苏，随着新生代的推移，新的世界秩序开始形成。陆地上，植物开始生长，将大地变成一片绿色。气候温暖而湿润；热带森林从赤道延伸到中纬度地区，林地出现在两极地区。没有了食草恐龙的觅食，植被生长繁茂。在大爆炸中生存下来的小型哺乳动物在大陆上扩张，种类多样化起来，不断填补着恐龙留下的空缺。随着哺乳动物形体的增大，它们能适应更特殊的环境，进入新的栖息环境，例如海狮、海豹和海象能够在水中嬉戏玩耍。随后，鲸鱼和海豚出现在海洋中。
早期的鲸鱼是一些有齿的种类，同海豚、逆戟鲸(OR-CAS)和抹香鲸一样。与它们在陆地上的哺乳动物同类们不同的是：鲸鱼没有毛发或毛皮，而是代之以光滑的皮肤，这有助于它们在水中游动。鲸鱼进化出厚厚的皮下脂肪层，使它们在冷水中也能保持温暖；在陆地上用于行走的四肢消失或转变成了桨状物；外鼻孔从头部前端移到头骨的顶端或后部，成为呼吸的通道。鲸鱼拥有巨大的有弹性、可折叠的肺，有利于它们的深海潜泳；它们的耳朵变得对水下的声音和震动敏感，这使鲸鱼和海豚进化出回声定位的本领。后来，海洋中出现了须鲸类，如露脊鲸和巨大的蓝鲸，它们有着带绒毛的颚或鲸须，使它们能从海水中过滤出大量的虾、浮游类和小鱼。
鲸鱼的祖先是一个多年来争论的问题。虽然，我们知道鲸鱼是从陆地的四足哺乳动物进化而来的，但是，我们并不知道是哪种动物进化成了鲸鱼，也无法明白为什么这种动物要放弃陆地而重返海洋。根据牙齿的惊人相似性，一些古生物学家认为，鲸鱼是一种像狼的哺乳动物进化来的。另一方面，科学家利用DNA分析，认为鲸鱼是从一组动物进化而来的，这些动物包括河马、骆驼和猪。最近，在巴基斯坦发现了大约5000万年前的鲸鱼骨骼化石，但这一发现并没有解决进化上的争论，反而加深了谜团，因为这些化石并不支持上述任何一种理论，这个谜至今尚未揭开。
在新生代，海洋哺乳动物之所以能成功地占领海洋，是因为海洋中有大量的食物资源。
中生代的幸存者因为竞争对手的灭绝而在海洋中大量繁殖。光合浮游生物，如硅藻、腰鞭毛虫、颗石鞭毛藻等快速繁殖起来，随后带动了食草类、滤食类和食腐动物的繁荣。海洋中并没有新的种群出现，但甲壳类、放射虫类、贝类、珊瑚、苔藓虫类、海胆、海星和有孔虫类大量繁殖。一种大型的硬币状的有孔虫的繁殖数量如此之多，以至于它们的碳酸钙外壳在海底累积，形成了厚厚的沉积层。年复一年，富含有孔虫外壳的沉积层硬化形成石灰岩，并在一次重要的造山运动中冲出了地面。后来，古埃及人认识到了这种富含有孔虫外壳的石灰岩的美丽和实用性，就将它们开采出来，用以建造金字塔和神秘的狮身人面像。
新生代时期，腕足类动物的数量下降，只有有限的物种经受住了时间的考验。相反，软体动物则在新生代的海洋中繁盛起来，成为地球上数量最多、种类最具多样性的生物之一。
随着软体动物的多样化，它们形成了许多美丽、精致、色彩鲜艳的贝壳。扇贝、蚌、牡蛎、蜗牛、乌贼、章鱼和贻贝开始了对海洋微妙的统治。这时，珊瑚再次成为礁石的主要制造者，而苔藓虫虽然还有，但退居次席。海底海百合的领地消失了，海百合退隐成为一种有点隐秘的存在于海底的角落和缝隙中的一种生物。硬骨鱼类的数量暴增，以前所未有之势遍布海洋。鲈鱼、笛鲷、海马、旗鱼、鳋、剑鱼、金枪鱼和各种各样的鱼类数量众多。软骨鱼类，如鲨鱼和鳐同样繁盛。已经发现了大如人类手掌的鲨鱼牙齿，经测年证明来自于新生代早期。根据牙齿的庞大尺寸，科学家估计这种叫做Carcharodonmegaloden的鲨鱼能长到12米长(39英尺)，大小是它的现代种类——大白鲨的两倍。海龟、鳄鱼和海鸟也出现在早期的新生代海洋中。