Paleozojaus gyvūnai gyveno paleozojaus eroje – didžiulis laiko tarpas, besitęsiantis nuo Kambro laikotarpio pradžios, prieš 542 milijonus metų, iki katastrofiško Permo-Triaso išnykimo maždaug prieš 251 milijoną metų. Era apima šešis geologinius laikotarpius, nuo jauniausio iki seniausio: kambro, ordoviko, silūro, devono, karbono ir permo.
Paleozojaus laikotarpis buvo ekstremalių evoliucinių pokyčių laikas, o gyvybės pamatai, kaip žinome, buvo nustatyti šiuo laikotarpiu. Prieš pat paleozojų buvo nedaug gyvūnų su kietu kiautu, o, kiek žinome, sausumos augalų ar gyvūnų nebuvo. Didžiausias ankstyvojo paleozojaus gyvūnas tikriausiai buvo ne daugiau kaip kelių colių ilgio, nes ankstesnės Ediacaran bendruomenės, kurias sudarė paprasti, iki maždaug metro ilgio, gniužulą primenantys organizmai, dažniausiai išmirė.
Vienas iš pirmųjų gerai žinomų paleozojaus gyvūnų, iš tikrųjų rodantis visos eros pradžią, buvo pažįstamas trilobitas, labai daug nariuotakojų, sudarančių savo klasę Trilobita. Trilobitai buvo vieni pirmųjų gyvūnų, turinčių kietus kiauklus, o jų fosilijų yra tiek daug, kad šiandien galite jų nusipirkti „eBay“ už 10 JAV dolerių (USD) ar mažiau. Netgi pirmieji trilobitai turėjo sudėtines akis su kalcito lęšiais – būdinga šiai grupei. Tuo metu tai buvo įspūdinga evoliucinė naujovė.
Maždaug po dešimties milijonų metų paleozojaus epochoje įvyko bene reikšmingiausia evoliucinė spinduliuotė gyvybės istorijoje – Kambro sprogimas. Kambro sprogimas pavadintas dėl geologiškai staiga atsiradusių praktiškai visų šiuolaikinių filų, netgi stuburinių, atstovaujamų pirmosios bežandikaulių žuvies, kuri būtų sėkminga dešimtis milijonų metų, kol Ordoviko regione ją pakeis žandikaulių žuvis.
Kiti ikoniniai paleozojaus gyvūnai yra euripteridai, jūrų skorpionai, kurie praktiškai visą paleozojaus epochą buvo plėšrūnai, kurie išnyko tik pačioje jos pabaigoje. Šie skorpionai yra šiuolaikinių skorpionų palikuonys, o kai kurių, pavyzdžiui, Jaekelopterus, ilgis viršijo du metrus. Nors daugelis paleontologų tikriausiai yra nusivylę, kad euripteridų nėra šalia, kur studijuoti, dauguma paplūdimio lankytojų tikriausiai norėtų, kad jie liktų išnykę.
Paleozojuje evoliucionavo pirmoji sausumos flora ir fauna, kuri per šį laikotarpį greitai apėmė didžiąją dalį Žemės sausumos ploto. Sausumos augalai išsivystė iš žaliųjų dumblių, iš pradžių vos kelių colių aukščio, kol išsivystė kraujagysliniai audiniai, tada jie tapo kelių pėdų aukščio. Sukūrę tikrą medieną, augalai tikrai galėjo „paleisti“, užaugdami daug dešimčių metrų aukščio antrojoje paleozojaus dalyje. Prie šių sausumos augalų prisijungė daug paleozojaus gyvūnų, kurie sugebėjo vaikščioti sausuma, pasižymintys nepriklausomomis bestuburių (daugiausia vabzdžių ir cheliceratų, pavyzdžiui, erkių) ir stuburinių (žuvys pradėjo vaikščioti sausuma ir tapo varliagyviais) giminės. Laikotarpio pabaigoje buvo tiek daug paleozojaus gyvūnų, kuriuos lydėjo paleozojaus flora, kad buvo sukurtos sudėtingos sausumos ekosistemos, maždaug analogiškos visų būsimų erų ekosistemoms.
Paleozojaus era baigėsi katastrofišku išnykimu, išnaikinusiu 97 % jūrinių genčių ir 70 % sausumos stuburinių genčių.