Đại dương Paleo-Tethys bắt đầu hình thành khi 2 địa thể nhỏ nứt và tách ra khỏi Gondwana vào cuối kỷ Ordovic để bắt đầu chuyển động về phía Euramerica ở phía bắc, trong tiến trình mà đại dương Rheic (nằm giữa lục địa Euramerica và các địa thể Hun) bắt đầu suy giảm để cuối cùng biến mất. Trong kỷ Devon, phần phía đông của Paleo-Tethys đã mở rộng ra khi hai tiểu lục địa Hoa Bắc và Hoa Nam đều di chuyển về hướng bắc. Điều này làm cho đại dương Proto-Tethys, tiền nhiệm của Paleo-Tethys, bị suy giảm, cho đến Hậu Than đá, khi Hoa Bắc va chạm với lục địa Siberi. Tuy nhiên, vào cuối kỷ Devon, một đới ẩn chìm đã phát triển ở phía nam các địa thể Hun, nơi mà lớp vỏ đại dương của Paleo-Tethys bị chìm xuống. Gondwana đã bắt đầu chuyển động về phía bắc, trong một tiến trình mà phần phía tây của Paleo-Tethys khép lại.

Trong kỷ Than đá, va chạm lục địa diễn ra giữa Euramerica và địa thể Hun châu Âu, tại Bắc Mỹ nó được gọi là kiến tạo sơn Allegheny, tại châu Âu là kiến tạo sơn Variscia. Đại dương Rheic đã hoàn toàn biến mất và phần phía tây của Paleo-Tethys đang khép lại.

Vào cuối kỷ Permi, mảng Cimmeria nhỏ và thuôn dài (ngày nay là lớp vỏ thuộc Thổ Nhĩ Kỳ, Iran, Tây Tạng và các phần của Đông Nam Á) đã tách ra từ Gondwana (khi đó là một phần của Pangaea). Ở phía nam của lục địa Cimmeria thì một đại dương mới, Neo-Tethys, đã được tạo ra. Vào cuối kỷ Trias, tất cả những gì còn lại của đại dương Paleo-Tethys chỉ là một eo biển hẹp. Vào đầu kỷ Jura, trong vai trò là một phần của kiến tạo sơn Alps, lớp vỏ đại dương của Paleo-Tethys bị chìm xuống phía dưới mảng Cimmeria, khép đại dương này lại từ phía tây sang phía đông. Dấu tích còn lại cuối cùng của đại dương Paleo-Tethys có thể là lớp vỏ đại dương dưới đáy biển Đen.

Đại dương Paleo-Tethys nằm tại nơi mà Ấn Độ Dương và Nam Á ngày nay đang nằm.