前期オルドビス紀にはカンブリア紀までに登場した動物門が大きく適応放散し[127]、これはGOBE (The Great Ordovician Biodiversification Event) と呼ばれる[138]。

オルドビス紀末に大量絶滅（O-S境界）があったが、無顎類（顎の無い脊椎動物）は生き残り、シルル紀に多様化し、顎のある脊椎動物も登場した[127]。デボン紀には硬骨魚類が多様化し、石炭紀には両生類が繁栄、ペルム紀には爬虫類が繁栄した[127]。

シルル紀には最古の陸上動物の化石である節足動物多足類が登場し、デボン紀に節足動物が多様化、石炭紀には翅を持つ昆虫類が登場した[127]。
中生代トリケラトプスの骨格化石

ペルム紀末には地球史上最大の大量絶滅（P-T境界）が起こり、中生代三畳紀には海洋生物が大量に絶滅[127]。哺乳類が登場した[127]。

ジュラ紀には恐竜が繁栄し、鳥類も登場した[127]。また、軟体動物の殻を破るカニ類や硬骨魚類が進化し、これに対抗して厚い殻をもつ軟体動物が進化した（中生代の海洋変革）[127]。白亜紀までには現生の昆虫類のほとんどが登場[127]。

白亜紀末には巨大隕石の衝突による大量絶滅がおこる（K-Pg境界）[127]。
新生代

新生代は哺乳類が優勢になり、鳥類、昆虫類、真骨魚類も適応放散し、現在と同様の動物相が形成された[127]。新生代の後半にあたる第四紀には人類も出現した。
化石動物についての動物門

化石動物について、上記の分類される現存動物門のいずれにも属さないとして、新たな動物門が提唱されることがある。以下に主要なもののみ挙げる。

†三裂動物門 Trilobozoa Fedonkin, 1985トリブラキディウムなどが属する。三放射相称の体制をもつ。

†盾状動物門 Proarticulata Fedonkin, 1985ディッキンソニア、ヨルギアなどのヴェンド生物が属する。左右相互に対称する体制をもつ。

†古虫動物門 Vetulicolia Shu et al., 2001ウェツリコラなどが属する。