Đại Cổ sinh bao gồm khoảng thời gian từ lúc bắt đầu xuất hiện các hóa thạch vỏ cứng và phổ biến đầu tiên tới thời gian khi các lục địa bắt đầu được chiếm lĩnh bởi các loài bò sát lớn, tương đối phức tạp và các loài thực vật tương đối hiện đại. Ranh giới dưới (cổ nhất) được quy định một cách kinh điển là khi có sự xuất hiện đầu tiên của các sinh vật gọi là trùng ba lá (lớp Trilobita) và Archeocyatha. Ranh giới trên (trẻ nhất) được quy định là khi diễn ra sự kiện tuyệt chủng lớn khoảng 300 triệu năm sau, được biết đến như là sự kiện tuyệt chủng kỷ Permi-kỷ Trias. Ngày nay ranh giới dưới được thiết lập là khi có sự xuất hiện lần đầu tiên của dấu vết hóa thạch đặc biệt, gọi là Treptichnus pedum.

Vào đầu thời đại này thì sự sống hạn chế bao gồm vi khuẩn, tảo, hải miên (bọt biển) và các dạng khác nhau của dạng sống có phần bí ẩn, gọi chung là hệ động vật Ediacara. Một lượng lớn động, thực vật đa bào đã xuất hiện gần như đồng thời vào đầu đại—một hiện tượng được biết đến như là bùng nổ kỷ Cambri. Có một số chứng cứ cho thấy sự sống đơn giản có thể đã xâm chiếm mặt đất vào đầu đại Cổ sinh, nhưng các loài động, thực vật đáng kể đã không chiếm mặt đất cho đến tận kỷ Silur và đã không phát triển tốt cho đến tận kỷ Devon. Mặc dù các động vật có xương sống nguyên thủy cũng đã được biết đến ở giai đoạn gần đầu đại này, nhưng các dạng động vật vẫn chủ yếu là động vật không xương sống cho đến tận giữa đại Cổ sinh. Quần thể cá đã bùng nổ trong kỷ Devon. Vào giai đoạn cuối đại Cổ sinh, một loạt các cánh rừng lớn của các loài thực vật nguyên thủy đã phát triển mạnh trên đất liền, tạo thành một tầng than lớn ở châu Âu và miền đông Bắc Mỹ ngày nay. Vào cuối đại này thì những loài bò sát lớn và phức tạp đầu tiên cũng như các loài thực vật hiện đại đầu tiên (thông, tùng, bách) đã phát triển.