大约55亿年前的古生代时期，是古代生命的时代，我们故事的背景又要有所改变了。庞大的超级大陆依然沿着赤道分布，但不久，巨大的裂隙撕开了大陆，海水涌入，形成了大片的浅水地区。在后来的2亿年里，大陆分离并漂向两极。岩石和化石表明，那时海洋的温度在20℃～40℃（68～104）之间，海水的化学组成和含盐量与现代的海洋非常的相似，大气中，氧气的含量不断上升。广阔、温暖的浅海栖息地为生命的爆发提供了绝佳的环境。
古生代的开端是寒武纪，这是一个以空前的生物演化和奇特的海洋生物多样性为标志的时期。在1000～3000万年的时间里，海洋生物迅猛发展，并出现了地球上所有生物的形态雏形。因此，这一时期被称为寒武纪爆发或生物大爆炸。
甲壳类、贝类、海胆、海绵、珊瑚、蠕虫以及其他生物的祖先全都诞生了。生物第一次开始利用海水中的矿物质，如二氧化硅、碳酸钙和磷酸钙等来制造贝壳或骨骼，也就是说，生物进化出了硬体部分，如贝壳、棘状物和由鳞构成的鳞甲。
最早具有硬体部分的动物种群是小介壳的生物；它们中有一些与现代的生物相似，而另一些则具有奇特的小的叶状物、管状物、鳞甲和帽状物。斯蒂芬·高尔德在他的颇具有启蒙意义的书《神奇的生命：代表性页岩和历史的本质》中指出，古生物学家以令人尊敬的坦诚，尴尬地把这些最早的令人迷惑的生物称为“小介壳类动物群落”。随着时间流逝，小介壳类动物群落消失了，但其后不久，最著名的寒武纪动物种群出现了，这就是爬行的三叶虫。那些对三叶虫特别感兴趣的人把寒武纪命名为三叶虫时代。
三叶虫，因其身体是椭圆形、三片状而得名，在随后的1亿年中，它们统治了海洋。三叶虫遍布海底，许多个体小，长度不到20厘米，而有一些则较大，体长可达半米。大多数的三叶虫在海底爬行觅食，有一些还会游泳；所有的三叶虫都会捕食粗心的小动物。鲎就是它的肉食性三叶虫祖先的某些部分的相似物。
在三叶虫之后，出现了大量其他的甲壳类动物、类似蚌的腕足类动物、棘皮类动物和一种奇特的具有硬质钙质骨骼的圆锥状海绵。腕足动物是一种滤食性、有壳的生物，与蚌类似，靠斧足或棘状物固定在海底生活，或只是栖息于海底。棘皮动物得名于它们带棘的表皮，包括海胆、海星以及像花一样的海百合。它们是无头的生物，不知道前后，现代的所有棘皮动物都是五边对称的。寒武纪的海洋中，充斥着蠕行类、掘穴类、少数的游泳类、一些浮游类和海底固着类的动物。珊瑚开始生长，形成了原始的珊瑚礁，水母在上面随波漂流。虽然，在寒武纪生物大爆炸中发展起来的许多生命形式是现代海洋生物的祖先，但是一些科学家认为，其他的奇特生物将再也不会重现于海洋中了。
现在，全世界都发现了寒武纪时期的化石。伯吉斯页岩是加拿大英属哥伦比亚南部的落基山脉的一处露头，其岩层是最早、最著名也是最有争议性的研究寒武纪海洋的窗口。
1909年，Smithsonian研究所的秘书查尔斯·伍尔科特最早发现了伯吉斯页岩的化石。在家人的帮助下，他花了数年时间在伯吉斯页岩的黑色岩层中挖掘化石，最后向Smithsonian国家自然历史博物馆提供了65000多件的化石标本。随后的研究表明，伯吉斯页岩的动物曾生活在一个高耸的石灰岩峭壁边缘的一个巨大珊瑚礁上，之后在一次猛烈的水下泥崩中，它们在很短的时间里被杀死，并被埋藏起来。它们形成的化石，不但包含了最早的具有硬体的生物的证据，还包括了古生物家梦寐以求的丰富多样的软体动物化石。伍尔科特最后鉴定出我们现在知道的170个种类中的100个。一些科学家批评伍尔科特，因为他试图根据现代海洋中生物的身体结构来划分古代的生物。但是伍尔科特对我们了解古代的海洋所做出的巨大贡献是无可争议的。
在伍尔科特工作之后的几十年里，科学家对伯吉斯页岩化石很少关注。到了20世纪60年代后期，英国剑桥的一个研究小组在古生物学家哈里·韦庭顿和他的两个学生布里格斯和莫里斯的带领下，开始对伍尔科特的化石采集场和收集的伯吉斯页岩化石进行了广泛的再次调查。他们使用了精密的显微镜，对伯吉斯页岩化石进行了细致入微的观察；还用牙科钻头揭开了被硬结沉积物包藏了多年的化石表面。随着研究的进行，墨黑色页岩中开始出现以前从未见过的生物。在高尔德有关伯吉斯页岩化石的精彩描述中，他强调了这些“不可思议的奇迹”的奇特性质。
围绕着伯吉斯页岩存在着许多争议：它们对进化意味着什么，是否是现代生命形式的祖先，或者只是代表了导致灭绝的不成功的原型。布里格斯最初将一种动物描述为多毛纲的环节动物--一种身体分节的蠕虫。后来，莫里斯发现，这种动物沿着躯干的棘毛不像任何的多毛纲动物，在认识到这种动物奇特的性质后，他将其命名为HalluciSenia。1977年，莫里斯将这种动物画成一种蠕虫状的生物，背上有七根不断摆动的触角，用柱状的棘行走。20世纪90年代早期，科学家研究了来自中国的保存完好的标本后，给出了另外一种解释。他们认为，莫里斯所画的实际上上下颠倒了。这种动物实际上是一种毛虫样的生物，背部的棘起着防身的作用，而长的触角状足是用来爬行的。但莫里斯把它的腹部当成了背部，把背部当成了腹部。现在，莫里斯和其他的科学家都认为，这种动物是现代节肢动物的祖先，如蟹、蜘蛛和昆虫等。伯吉斯页岩中的另一种动物是Anomalocaris，或称为“怪虾”。它长度可达半米，是最大的也可能是最贪得无厌的动物。它具有眼柄，身体类似乌贼，嘴圆形，有齿状颚和与头部相连的庞大四肢。它强有力的颚和捕食的本性使它荣获“三叶虫时代的恐怖分子”
的称号。起初，怪虾被认为与现代的种类无关，但现在一些科学家认为，它也可能与节肢动物具有早期的亲缘关系。对于布里格斯化石采集场和其他地方发现的寒武纪时期这些不可思议的奇迹的研究和争议仍在继续着。
让我们返回到古生代海洋早期的舞台吧，这时出现的角色变成了许多陌生的与熟悉的海洋生物。奇特的棘状生物与有壳生物在海中漫游着，喇叭状和盘状的珊瑚、圆锥状的海绵和无数的蚌状腕足类动物散布在海底。苔藓虫，经常被称为“苔藓动物”，它们将岩石和碎石堆盖上了一层彩色的碳酸钙分泌物；橙色、紫色和绿色的群落有助于形成不断增厚的石灰岩。小而简单的叫做介形亚纲的甲壳纲动物与扁平的管状有孔虫一起生活在这些沉积层中。有孔虫是一种单细胞、变形虫样的生物，具有小的钙质外壳。在古生代它们全都生活在海底，之后，出现了新的浮游种类。保存在海底沉积物中的有孔虫的小壳，最终将成为科学家研究地球历史的无价之宝。
在海洋的开放海域里，微小的浮游动物和浮游植物也变得丰富多样起来。放射虫出现了，这是一群有着美丽的硅质外壳的小的浮游动物。这时，几乎所有具有可保存的硬体部分的主要的无脊椎动物群都出现了。