已知的最早的化石是细菌化石。这些有机体很可能存活于当时地球上的热海洋中。我们对它们的年龄测定满怀信心，因为地质学方法能告诉我们保存了这些原始有机体残骸的岩石的年龄。在这一时期的岩石中，我们也找到了所谓的“叠层石”，即由蓝绿色的藻类构成的岩石状结构，也被称为“蓝细菌”（或蓝藻）。蓝藻可以追溯到35亿年前，并且令人吃惊的是，有些类型至今仍然存活，例如澳大利亚领地的北部区域就以此著称。在地球的早期历史中，蓝藻在制造游离氧原子中扮演了举足轻重的角色，这一过程启动了制造适于呼吸的大气的进程。
我们已经发现生命具有极其丰富的多样性，有些生命形式的适应能力令人惊异，能在最严酷的环境中存活。例如，最早的生命可能出现的地方之一是在酷热的地壳裂缝口周围，也就是通常所说的黑烟口（black smoker）。其实就是海底的裂缝，炽热的酸液从下面涌出，由于恶臭的东西通常是黑色的，这一别名因此而来。从这些裂缝（至少在海平面下1英里处）涌出的酸水温度，可能高达400℃。水能够达到这么高的温度（远高于通常的沸点），是因为这里的压力是地表处大气压力的25倍。超乎想象的是，这些裂缝处有着相当丰富的特殊生命形式。像管状蠕虫、褐虾甚至蛤类，能在这种与醋一样酸的环境中生存并且不需要从太阳那里获取任何能量，而绝大多数其他海洋生物在这里将会立刻毙命。
世界范围内的化石记录能让我们追踪生命的进化历程。一般而言，生命进化得相当缓慢，在很长一段时期内，它们仅局限于海洋中，直到大约4亿年前的泥盆纪时期，生命才扩张到了陆地上，先是植物，然后是节肢动物（诸如昆虫、蜘蛛和甲壳类动物）以及脊椎动物。植物在陆地上生长，持续地改变着大气的成分。它们的存活需要通过光合作用从空气中吸收二氧化碳来合成糖分子养料。这一过程的副产品就是氧气，是由植物释放到空气中的。
恐龙的梦魇
生命史上最大的灾难发生于地质学上的二叠纪末期，距今2.5亿年。二叠纪持续了大约6000万年，可能是一个大面积沙漠化的时期。地球上的绝大多数陆地结合在一起形成了一片辽阔的大陆，称之为“大陆块”（Pangaea）。二叠纪的生物绝灭也经常被称为“物种大灭绝”，这可能是历史上最大规模的物种灭绝，其导致地球上绝大多数物种消失。这一结论当然能从化石记录中找到证据，但对灾难发生的原因，线索就不那么明显了，至少我们并没有看到陨击坑。相反，线索来自一种碳分子，即“球壳状碳分子”。这些分子形成一个笼状的结构，大多数都呈球形，它们在诞生时可以把单个的惰性原子俘获到“笼子”之中。人们在二叠纪末期的球壳状碳分子中发现了氦元素和氩元素，它们很可能来自宇宙其他恒星的大气，这些恒星在太阳尚未形成之前就以超新星爆发的形式结束了一生。这些被发现的化学分子可能是一个流星体的残余物，而该流星体所携带的物质来自太阳系形成初期。有理论认为，流星体撞击的结果引发了无数的火山活动，喷发的物质覆盖了整个陆地的表面达3米。因此，90％的海洋生物和70％的陆地脊椎动物没能存活下来也就不足为奇了。
