30億年以上前に地球上初めての生物が誕生したと考えられており、真核生物の最古の化石（グリパニア Grypania）は21億年前の地層から発見されている[91][92]。

確実な化石記録により較正した分子時計から、クラウングループとしての後生動物は新原生代クライオジェニアン（8億3300万年前?6億5000万年前）に誕生したと推定されている[90]。

最古の化石記録に関しては議論があり、異論の余地がない確実な動物化石の証拠は顕生代に入ってからに限られている[90][93]。また左右相称動物の動物門の確固たる証拠はカンブリア紀になるまでない[94][95]。とはいえ、動物の進化は先カンブリア時代からの歴史があるという見方が一般的になってきている[90]。

動物のものかもしれない最古の化石は2012年にナミビアの7億6000万年前、クライオジェニアンの地層 (Okakuyu Formation) で発見されたオタヴィア・アンティクア Otavia antiqua）である[96][97][98]。これは0.3?5 mm（ミリメートル）程度のかりんとうのように細長い歪な卵形をしたリン酸カルシウムからなる化石で、海綿動物だと考えられている[96][97]。海綿動物だとすると表面に空いている多数の細孔から微小なプランクトンを濾過摂食したものと考えられる[96][99]。なお、オタヴィアは7億6000万年前だけでなく、6億3500万年前、5億4800万年前（エディアカラ紀）の地層からも見つかっている[96][97]。またオーストラリアの南オーストラリア州からは6億6500万年のトレゾナ層 (Trezona Formation) からも、初期の海綿動物ではないかと考えられている化石も見つかっている[100]。クライオジェニアン（約6億3500万年前）からカンブリア紀初期までの約100年にわたり連続して普通海綿の存在を示しているとされたバイオマーカーは[101]、現在では共生細菌に由来するものだろうとされている[102]。 全球凍結直後、約6億3000万年前の?山沱の動物の胚化石（ドウシャントゥオの胚化石、Doushantuo embryos）とされていたものは[103][104]、現在では原生生物や硫黄細菌ではないかと解釈されている[105][106][107]。エディアカラ生物群の一つであるディッキンソニア

分子時計によれば、続くエディアカラ紀（エディアカラン）に左右相称動物のほとんどの門が多様化したと考えられている[108][90]。また、エディアカラ紀の5億7500万年前から5億4100万年前にかけてはエディアカラ生物群と呼ばれる生物群が多く見つかっている[109][110]。エディアカラ生物群とカンブリア紀以降の動物との類縁関係は未だはっきりしていないが[91][110]、その形態からランゲオモルフ[111] Rangeomorpha、Dickinsoniomorpha、Erniettomorpha に分けられる[109]。エディアカラ生物群は新原生代クライオジェニアン紀の全球凍結（スノーボールアース、全地球凍結）の後、5億7500万年前から5億6500万年前の間に放散（Evolutionary radiation）したと考えられ、それを「アヴァロンの爆発 Avalon explosion」と呼ぶ[112][113][110]。エディアカラ生物群のうち、ディッキンソニア Dickinsonia、Andiva、ヨルギア Yorgia とランゲオモルフは左右相称動物であったとする研究もある[109] ほか、海綿動物（Eocyathispongia qiania）[114][115]、軟体動物（キンベレラ Kimberella quadrata）[116]、そして無数の刺胞動物（Haootia quadriformis）[117][118]、節足動物（パルヴァンコリナ Parvancorina）[119]とみられるものもあり、真正後生動物や左右相称動物のグレードにあると推定されている動物の痕跡も見つかっている[120][121][122][123][124]。

エディアカラ紀末期の5億4900万年前ごろには、硬組織を獲得していたクロウディナ Cloudina と呼ばれる化石が発見されており、現生の動物との類縁関係が分からず、古杯動物と呼ばれる[125]。この少し前の約5億6000万年前から約5億5000億年前のエディアカラ生物群の中にも硬組織を持つコロナコリナ Coronacollina acula が見つかっている[126]。

古生代

地質時代 - 顕生代[* 1][* 2]累代代紀基底年代
Mya[* 3]
顕生代新生代第四紀2.58
新第三紀23.03
古第三紀66
中生代白亜紀145
ジュラ紀201.3
三畳紀251.902
古生代ペルム紀298.9
石炭紀358.9
デボン紀419.2
シルル紀443.8
オルドビス紀485.4
カンブリア紀541
原生代2500
太古代（始生代）4000
冥王代4600
^ 基底年代の数値では、この表と本文中の記述では、異なる出典によるため違う場合もある。
^ 基底年代の更新履歴
^ 百万年前

カンブリア紀の生物アノマロカリスの復元図

古生代カンブリア紀初期 (Nemakyt-Daldynian)、約5億4200万年前には珪酸塩や炭酸塩、リン酸塩からなる骨片（硬組織）をもつ微小有殻化石群 (SSFs, Small Shelly Fossils) が見られる[127][128][95][129]。化石に残る硬組織を獲得し、急速に多様な動物が出現したため、「カンブリア爆発」（カンブリア大爆発）と呼ばれる[127][130][131][129]。海綿動物、軟体動物、腕足動物、節足動物、棘皮動物、環形動物、脊索動物など、現在の動物門のほとんどを占める30余りの動物門[127]が化石記録に残っている。かつては現在とは無縁で現生動物よりも多数の動物群が突然出現したと考えられていたが、カンブリア紀以前の動物化石が発見されたり、カンブリア紀の生物群と現生の動物との類縁関係が判明してきたため、現在ではカンブリア爆発は複雑な器官（眼、触手、脚）を獲得したことよる活発な行動様式の発達および硬組織の発達による左右相称動物の多様化であると捉えられている[131][132]。5億3200万年前には Aldanella yanjiahensis と呼ばれる軟体動物の化石が見つかっている[90]。約5億2100万年前（トモティアン）になると、動物は眼を獲得し、それまで意味を持たなかった硬組織が防御や捕食に有利になり、それが軍拡競争として働いて多様な姿を持つ動物群が現れたと考えられている（光スイッチ説）[131]。また分子時計の解析から遺伝子レベルの生物の爆発的多様化はこれより数億年早いと考えられる[90][131][注釈 12]。カンブリア紀からオルドビス紀初頭にみられる大不整合の研究から、カンブリア爆発の原因は海洋中の化学成分（Mg2+、Na+、K+、Ca2+、Fe2+などのイオン）が増加した影響が指摘されている[133]。カンブリア爆発は2000万年[134][135] から2500万年[136][137] 続いた。

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]。