オルドビス紀は約5億年前から約4億4千万年前までの期間である[38]。この時期の気候は温暖であったが紀の末に一時的な寒冷化が起こり、その影響で生物の大量絶滅が生起した。また植物や動物の一部が地上に進出し始めた。
まず海中では カンブリア紀に繁栄した三葉虫はオルドビス紀に早くも衰退し始める。脊椎動物は顎と歯を持たない無顎魚類が繁栄したが、下図のように頭部を覆う燐酸カルシウムの骨板を有し、鰭が発達していないため泳ぎは鈍かった[50]。無顎類の子孫はヤツメウナギを含む円口類約50種が現存している[51]。軟体動物では頭足類、直角貝の仲間は体長が15cm程度のものが多いが、最大のものは体長数mにも達した捕食動物であった。この時代に原索動物のフデイシやコノドントが出現した。コノドントは小さな化石微化石でたくさん見つかる上に時代による変化が大きいため示準化石として使われているが、クリダグナサスのような無顎類とは異なる原始的な魚類の喉部にある咀嚼用器官（歯）であった[52]。最古の陸上植物の可能性として、アフリカのリビアにあるオルドビス紀の地層からゼニゴケ類似の胞子の化石が見つかっている[53]。またアメリカ東部の陸域で堆積した地層からムカデの足跡に似た生痕化石がみつかっている[53]。約4億3900万年前のオルドビス紀末に原因不明の急激な寒冷化による生物の大絶滅が起こった。まず急激な氷河の発達により海水準が降下し浅海の固着生物の住処が無くなり、その後温暖な気候に戻るにつれて今度は急激な海水準の上昇とおそらく深海からの低酸素の水が上昇してきたことによる窒息によって、当時海洋に生息していた科のレベルで20%・属のレベルで60%が絶滅した[54]。 シルル紀は約4億4千万年前から約4億1500万年前までの比較的短い期間である[38]。オルドビス紀に引き続き温暖な気候であった。シルル紀に植物と動物が地上に進出した。 植物が地上に繁栄するためには、地上の空中にある葉や茎を保持しつつ水分や養分を運搬する強固な維管束が必要である。確認できる最古の地上植物は高さ約10cmに満たない根も葉も無いクックソニアであった。クックソニアは地上植物であるが維管束はまだ発達していなかった[55]。また陸上の河川敷を歩いた節足動物の明瞭な生痕化石も見つかっている[53]。最初に陸に上がったのはヤスデの仲間で[56]、昆虫が続いた[57]。海中ではオルドビス紀末の大絶滅の後に、絶滅した種と同系統の生物が進出したため、絶滅前後での海中での生物多様性の変化は少なかった[54]。浅海では三葉虫、腕足類、サンゴなどが生息し、遠洋ではフデイシが繁栄していた[55]。シルル紀に板皮類という「初めて顎を持った魚類」が生まれた[58]。魚の一部は海から汽水域さらに淡水の河川へと生息地を広げていった[59]。また、棘魚類や板皮類が顎を獲得し、硬骨魚も出現した。浅海や汽水中には大型で強力な捕食者のウミサソリが生息していた。
無顎類アランダスピス、いわゆる甲冑魚
殻長5.7メートルに達する大型の頭足類エンドセラス
フデイシは原索動物に分類される
コノドントは原始的な魚類の消化器官前端の歯であった
シルル紀の気候と生物
最古の地上植物クックソニア、茎の先に胞子嚢がある
1m以上の巨大種を多く含んでいるウミサソリ
最古の陸上動物の一つ、ヤスデ類のニューモデスムス
デボン紀は4億1500万年前から約3億6000万年前まで続いた[38]。デボン紀は大陸の集合が始まったため、中期までは温暖な気候であったものが末期には寒冷化してゆく[35]。その過程で陸地には雨季と乾季が交互に訪れるようになり、地上の池や川は季節によって水が干上がった[60]。
棘魚類から進化した硬骨魚は陸地の河川に生息していたが、この季節変化に対応するため、乾季に空気呼吸のできる肺を備えるようになった。エウステノプテロン（またはユーステノプテロン）[注釈 11]は肺呼吸を行っていた魚類とされており、骨格や鰭の形などから両生類の祖先に近縁の生物であるとされている[注釈 12]。硬骨魚類の中で鰭の基部に丈夫な骨格を有する肉鰭類から、鰓を無くし肺呼吸を行い、鰭を足に変えて地上を移動できる両生類のイクチオステガが陸上に進出した[61]。水中でも魚類の多様性が著しく拡大し、巨大な板皮魚ダンクルオステウスなどのほかに、クラドセラケなどの軟骨魚類や現在の魚の大部分を占める条鰭類の祖先が繁栄し始めた[62]。
地上に進出した植物は維管束を発達させ、効果的に光合成を行える葉を作った。トリメロフィトン
類（trimerophyte）はデボン紀の初期から中期に繁栄したが最大高さ3mに達した[63]。その後現在の植物につながるヒカゲノカズラ類、トクサ類、シダ植物、原裸子植物（または前裸子植物）が生まれた[64]。これらの植物は太陽の光を求めて高さを増し、デボン紀後期には原裸子植物のアルケオプテリス（Archaeopteris）は樹高20mに達した[65]。原裸子植物は約5000万年後に絶滅するが、子孫として裸子植物を生み出しすべての種子植物の先祖となった。これらの樹木による森林は活発に光合成を行い、二酸化炭素を固定し酸素を放出した。この森林の中で昆虫類の多様化が進んだ。デボン紀後期の約3億7600万年前に、生物の大絶滅が起こった。この絶滅の原因はいまだに十分解明されていないが、海洋生物の科のレベルで22%、属のレベルで57%の生物が絶滅したとされる[66]。
