Paleozojske živali so živele v paleozojski dobi, velikem časovnem razponu, ki sega od začetka kambrijskega obdobja, pred 542 milijoni let, do katastrofalnega permsko-triasnega izumrtja pred približno 251 milijoni let. Obdobje obsega šest geoloških obdobij, od najmlajšega do najstarejšega pa so: kambrij, ordovicij, silur, devon, karbon in perm.
Paleozoik je bil čas ekstremnih evolucijskih sprememb in v tem obdobju so bili postavljeni temelji življenja, kot ga poznamo. Neposredno pred paleozoikom je bilo malo živali s trdimi lupinami, če sploh sploh, in kolikor vemo, ni bilo kopenskih rastlin ali živali. Največja zgodnjepaleozojska žival verjetno ni bila več kot nekaj centimetrov v dolžino, saj so prejšnje ediakarske skupnosti, ki so bile sestavljene iz preprostih listov podobnih organizmov, dolgih do meter ali več, večinoma izumrle.
Ena prvih dobro znanih paleozojskih živali, ki je pravzaprav kazala na začetek celotne dobe, je bil znani trilobit, izjemno številčen členonožec, ki je tvoril svoj razred Trilobita. Trilobiti so bili med prvimi živalmi, ki so imele trde lupine, njihovi fosili pa so tako številni, da jih lahko danes kupite na eBayu za 10 ameriških dolarjev (USD) ali manj. Tudi najzgodnejši trilobiti so imeli sestavljene oči s kalcitnimi lečami, značilnost, edinstvena za skupino. Za tisti čas je bila to impresivna evolucijska inovacija.
Približno deset ali približno milijonov let v paleozoiku se je zgodilo verjetno najpomembnejše evolucijsko sevanje v zgodovini življenja – kambrijska eksplozija. Kambrijska eksplozija je dobila ime zaradi geološko nenadnega pojava tako rekoč vseh sodobnih tipov, tudi vretenčarjev, ki jih predstavljajo prve brezčeljustne ribe, ki bi bile uspešne več deset milijonov let, dokler jih v ordoviciju niso nadomestile čeljustne ribe.
Še ena od ikoničnih paleozojskih živali so evripteridi, morski škorpijoni, ki so bili karierni plenilci praktično celotno paleozojsko dobo, izumrli pa so šele na samem koncu. Ti škorpijoni so potomci sodobnih škorpijonov in nekateri, kot je Jaekelopterus, so v dolžino presegli dva metra. Čeprav je veliko paleontologov verjetno razočarano, da evripteridov ni naokoli za preučevanje, bi večina obiskovalcev plaž verjetno raje ostala izumrla.
V paleozoiku se je razvila prva kopenska flora in favna, ki je v tem obdobju hitro zajela večino zemeljskega kopnega. Kopenske rastline so se razvile iz zelenih alg, sprva visoke le nekaj centimetrov, dokler niso razvile žilnega tkiva, nato pa so postale visoke nekaj metrov. Po razvoju pravega lesa so se rastline res lahko »spustile«, saj so v zadnjem delu paleozoika zrasle več deset metrov visoko. Tem kopenskim rastlinam so se pridružile številne paleozojske živali, ki so razvile sposobnost hoje po kopnem, z neodvisnimi linijami nevretenčarjev (večinoma žuželk in keliceratov, kot so pršice) in vretenčarjev (ribe so začele hoditi po kopnem in postale dvoživke). Do konca obdobja je bilo paleozojskih živali, ki jih je spremljala paleozojska flora, toliko, da so bili vzpostavljeni kompleksni kopenski ekosistemi, približno podobni tistim iz vseh prihodnjih obdobij.
Paleozojska doba se je končala s katastrofalnim izumrtjem, ki je izničilo 97 % morskih rodov in 70 % rodov kopenskih vretenčarjev.