Il passaggio sulla terraferma
Con il progressivo aumento dell'ossigeno nell'atmosfera e la formazione dello strato di ozono a schermo delle radiazioni ultraviolette (dannose per le cellule perché provocano mutazioni genetiche), l'ambiente della terraferma divenne idoneo all'insediamento dei viventi.
L'evoluzione delle piante
I primi organismi che si svincolarono dall'acqua furono vegetali derivati dalle alghe verdi, che gradualmente svilupparono strutture simili a radici (per l'ancoraggio alla superficie), vasi (per il trasporto dell'acqua e della linfa) e organi adibiti alla riproduzione (per proteggere i gameti dalla disidratazione).
Il clima caldo-umido che caratterizzò un lungo periodo (360-286 milioni di anni fa) favorì lo sviluppo di felci arboree e licopodi, i cui resti fossilizzati hanno prodotto i vasti giacimenti di carbone fossile.
Un successivo periodo secco (286-248 milioni di anni fa) segnò il passaggio alle gimnosperme (sono gimnosperme, per esempio, pini e larici), resistenti alla siccità; da queste 100 milioni di anni più tardi evolsero le angiosperme (con i semi racchiusi nel frutto), che attualmente dominano l'ambiente terrestre.
L'evoluzione degli animali
Poco dopo le piante anche gli animali iniziarono a colonizzare la terraferma.
Per primi gli artropodi (crostacei, ragni, insetti ecc.), che già nel mare avevano sviluppato una struttura di sostegno esterna (esoscheletro) impermeabile e rigida. Non più sostenuto dall'acqua, l'esoscheletro evitava al corpo di essere "schiacciato" dalla forza di gravità. Gli artropodi svilupparono forme varie e di grandi dimensioni, che dominarono incontrastate l'ambiente terrestre per decine di milioni di anni.
Circa 350 milioni di anni fa dai crossopterigi, un gruppo di pesci dotati di pinne robuste e muscolose e di un'estroflessione del canale digerente (che in caso di necessità poteva essere impiegato come rudimentale polmone), derivarono gli anfibi. Gli anfibi svilupparono veri e propri arti e polmoni più efficienti. Essi però non si svincolarono definitivamente dall'acqua, dalla quale dipendevano soprattutto per la riproduzione.
Da un gruppo di anfibi, che avevano sviluppato degli adattamenti alla siccità, derivarono i rettili. Diversamente dai loro progenitori, i rettili hanno la pelle coperta di squame impermeabili, la loro fecondazione è interna e le uova sono protette da un guscio impermeabile. Come gli anfibi, anche i rettili sono animali ectotermi, o eterotermi, cioè disperdono facilmente il calore corporeo, per cui la loro temperatura non è costante ma varia con quella dell'ambiente. I rettili dominarono sulla fauna terrestre per circa 250 milioni di anni. Durante questo periodo si svilupparono forme di grandi dimensioni, tra le quali i dinosauri. Alcuni rettili si adattarono alla vita acquatica, altri divennero capaci di compiere voli planati, grazie a particolari espansioni della pelle.
Circa 65 milioni di anni fa un mutamento climatico su scala planetaria, provocato probabilmente dall'impatto di un enorme meteorite con la Terra, determinò l'estinzione di numerose specie, tra cui tutte le ammoniti e molti rettili.
Nel frattempo alcuni rettili avevano sviluppato peli e penne per trattenere il calore corporeo (animali endotermi, od omeotermi). In questo modo essi potevano essere attivi anche di notte ed evitare i predatori ectotermi, che erano intorpiditi dal freddo.
Gli uccelli derivano da rettili provvisti di penne, che ne svilupparono di più lunghe e forti alle estremità degli arti anteriori e della coda. Poterono così dapprima planare e in seguito volare, grazie anche ad alcuni adattamenti dello scheletro e della muscolatura.
Dai rettili ricoperti di peli si svilupparono i mammiferi, caratterizzati dal fatto di partorire figli vivi e non uova (viviparità) e dalla presenza di ghiandole mammarie. I primi mammiferi erano di piccole dimensioni e attivi solo di notte. Quando la maggior parte dei rettili si estinse, i mammiferi si diversificarono e occuparono tutti gli ambienti.