Paleozoja dzīvnieki dzīvoja paleozoja laikmetā, kas ir milzīgs laika posms no kembrija perioda sākuma pirms 542 miljoniem gadu līdz katastrofālajai permas-triasa izzušanai aptuveni pirms 251 miljona gadu. Laikmets aptver sešus ģeoloģiskos periodus, un no jaunākā līdz vecākajam tie ir: kembrija, ordovika, silūra, devona, karbona un perma.
Paleozojs bija ārkārtēju evolūcijas pārmaiņu laiks, un šajā periodā tika likti dzīves pamati, kādus mēs zinām. Tieši pirms paleozoja bija maz dzīvnieku ar cietu čaumalu, un, cik mums zināms, nebija nekādu sauszemes augu vai dzīvnieku. Lielākais agrīnā paleozoja dzīvnieks, iespējams, nebija garāks par dažām collām, jo agrākās Ediakaras kopienas, kas sastāvēja no vienkāršiem plaukstveida organismiem, kuru garums sasniedza apmēram metru, lielākoties bija izmirušas.
Viens no pirmajiem labi zināmajiem paleozoja dzīvniekiem, kas faktiski liecina par visa laikmeta sākumu, bija pazīstamais trilobīts, ārkārtīgi daudzveidīgs posmkāji, kas veidoja savu klasi Trilobita. Trilobīti bija vieni no pirmajiem dzīvniekiem, kuriem bija cietas čaumalas, un to fosilijas ir tik daudz, ka jūs šodien varat tos iegādāties vietnē eBay par 10 ASV dolāriem (USD) vai mazāk. Pat pirmajiem trilobītiem bija saliktas acis ar kalcīta lēcām, kas ir raksturīga šai grupai. Laikam tas bija iespaidīgs evolucionārs jauninājums.
Apmēram desmit miljonus gadu paleozoja laikā notika, iespējams, nozīmīgākais evolucionārais starojums dzīves vēsturē – Kembrija sprādziens. Kembrija sprādziens savu nosaukumu ieguvis tāpēc, ka ģeoloģiski pēkšņi parādījās praktiski visas mūsdienu filas, pat mugurkaulnieki, ko pārstāv pirmā bezžokļa zivs, kas būtu veiksmīga desmitiem miljonu gadu, līdz Ordovikā to aizstātu ar spokainām zivīm.
Vēl viens no ikoniskajiem paleozoja dzīvniekiem ir eiripteridi, jūras skorpioni, kas bija karjeras plēsēji praktiski visu paleozoja laikmetu, izmirstot tikai tā pašās beigās. Šie skorpioni ir mūsdienu skorpionu pēcteči, un daži, piemēram, Jaekelopterus, garums pārsniedza divus metrus. Lai gan daudzi paleontologi, visticamāk, ir vīlušies, ka eiripteridi nav tuvumā, lai pētītu, vairums pludmales apmeklētāju, iespējams, dotu priekšroku, lai tie paliktu izmiruši.
Paleozoja laikā attīstījās pirmā sauszemes flora un fauna, kas šajā periodā strauji aptvēra lielāko daļu Zemes sauszemes. Sauszemes augi attīstījās no zaļajām aļģēm, sākumā tikai dažas collas garas, līdz izveidojās asinsvadu audi, pēc tam tie kļuva par pāris pēdām gari. Pēc īstas koksnes attīstīšanas augi patiešām varēja “izlaist vaļā”, izauguši daudzus desmitus metru gari paleozoika otrajā daļā. Šiem sauszemes augiem pievienojās daudzi paleozoja dzīvnieki, kas bija attīstījuši spēju staigāt pa sauszemi, un tiem bija neatkarīgas bezmugurkaulnieku (galvenokārt kukaiņu un helicerātu, piemēram, ērces) un mugurkaulnieku (zivis sāka staigāt pa sauszemi un kļuva par abiniekiem). Perioda beigās bija tik daudz paleozoja dzīvnieku, ko pavadīja paleozoja flora, ka tika izveidotas sarežģītas sauszemes ekosistēmas, kas ir aptuveni līdzīgas visu nākamo laikmetu ekosistēmas.
Paleozoja laikmets noslēdzās ar katastrofālu izmiršanu, kas iznīcināja 97% jūras ģinšu un 70% sauszemes mugurkaulnieku ģinšu.