大約5．4億年前(寒武紀)，海洋中生物呈多樣化和擴散式演化，而多細胞生物開始爆炸性地增加。這是生命曆史的重大事件之一，被稱為“寒武紀的爆發”。由於生物具有了堅硬的骨骼，容易留為化石，所以今天能知道當時已經形成同目前類似的、包含肉食動物在內的複雜的生態係統。
其中最奇妙的生物群——“巴傑斯頁岩動物群”(Burgessshalefauna)，在大約5．2億年前的沉積物“巴傑斯頁岩”中被發現。在這些動物群中，存在和現今任何生物都相差懸殊的物種，它們在演化史上所占的位置完全不一樣。具有巴傑斯頁岩動物群形態的化石在世界各地被發現。一般推測，它們滅絕於5億年前左右。
海洋中的生物經過反複興衰，在4．8億年前，最早的脊椎動物原始魚類出現了。