Kambrijska eksplozija, neprimerljivo nastajanje organizmov med 541 milijoni in približno 530 milijoni let pred začetkom kambrijskega obdobja. Za dogodek je bil značilen pojav številnih glavnih phyla (med 20 in 35), ki sestavljajo sodobno življenje živali. V tem času se je razvilo tudi veliko drugih phyla, katerih velika večina je v naslednjih 50 do 100 milijonih let izumrla. Ironično je, da so številne najuspešnejše sodobne file (vključno s hordati, ki zajemajo vse vretenčarje) redki elementi v sestavi kambrij; phyla, ki vključuje členonožce in spužve, je vsebovala najbolj številčno prevladujoče taksone (taksonomske skupine) v času kambrij, taksije pa so izumrle.
Začetek obdobja kambrij je zaznamovan z razvojem trdih delov telesa, kot so lupine kalcijevega karbonata. Ti deli telesa fosilizirajo lažje kot mehka tkiva in tako zapis fosilov postane veliko bolj popoln po njihovem videzu. Mnoge rodove živali so se približno istočasno razvijale v trdih delih. Razlogi za to so še vedno razpravljani, vendar je vodilna teorija ta, da je količina kisika v atmosferi končno dosegla ravni, ki so omogočale obstoj velikih, zapletenih živali. Ravni kisika so lahko tudi olajšale presnovne procese, ki proizvajajo kolagen, gradnik beljakovin, ki je osnova za trde strukture v telesu.
Druge večje spremembe, ki so se zgodile v zgodnjem kambriju (pred 541 do 510 milijoni let), vključujejo razvoj živalskih vrst, ki so zakopale v usedline morskega dna, namesto da bi ležale na njem, in evolucijo prvih karbonatnih grebenov, ki so jih zgradile spužvaste živali, imenovane arheocathidi.
Do zgodnjih kambrij je bila večina biosfere omejena na robu svetovnih oceanov; na kopnem ni bilo nobenega življenja (razen morda cianobakterij (prej znanih kot modrozelene alge) v vlažnih usedlinah, relativno malo pelagičnih vrst (biota, ki živijo v odprtem morju), ni obstajalo nobenih organizmov, ki bi živeli v morskih globinah. Vendar je bilo življenje v plitvih predelih morskega dna že zelo razvejano. Ta zgodnji vodni ekosistem je vključeval sorazmerno velike mesojede Anomalocaris, trilobite, ki se hranijo z deponiranjem (zgodnji členonožci) in mehkužce, gobice s suspenzijskim hranjenjem, različne čreplje, ki odstranjujejo, in morda celo zajedavce, kot je onhoforanska Aysheaia. Tako se zdi verjetno, da je do takrat do danes v oceanskih plitvinah že deloval dobro razvit vodni ekosistem.
Po obdobju kambrij se je biosfera še naprej razmeroma hitro širila. V ordovicijskem obdobju (pred 485,4 milijona do 443,4 milijona let) so se razvile klasične paleozojske morske favne - ki so vključevale briozoje, brahiopode, korale, nautiloide in krinoide. Veliko morskih vrst je izumrlo blizu Ordovicijca zaradi sprememb v okolju. Silurijsko obdobje (od 443,4 milijona do 419,2 milijona let) označuje čas hitrega razvoja številnih dovajalcev suspenzij v oceanih. Posledično so postali pelagični plenilci, kot so nautiloidi, v izobilju. Ribe gnathostome, najstarejši kraniati, so postale pogoste ob koncu silurskih časov.
