前寒武紀是自地球誕生到距今5.41億年的漫長時期，包括冥古宙、太古宙、元古宙，約占地球歷史的90％，在此期間，地球的大氣層、海洋和陸地慢慢形成，地球從一個毫無生機的星球變成多種原始生命的家園。

1. 冥古宙

冥古宙時期，地球上只有一些有機質，沒有生命的跡象。

2. 太古宙

距今40億年至25億年，持續時間15億年。2021年公布的《國際地層表》將太古宙進一步劃分為始太古代、古太古代、中太古代和新太古代四個代。太古宙是地球地質史上最古老且歷時較長的一個時代，是地球原始地殼、原始太氣圈、水圈和生物形成和發展的最初階段。

由于重力分異過程遠不充分，地球內部結構雖然已有地殼、地幔、地核的分化，但地殼很薄，其組成成分更接近上地幔物質。構造運動、巖漿活動和火山噴發頻繁而強烈。巖石普遍發生變質作用和混合巖化，至中、晚期開始形成穩定的小型花崗質陸核。這些陸塊作為后來穩定陸塊的核心，現在散布于各大陸中。原始大氣圈以水汽、二氧化碳、硫化氫、氨、甲烷、氯化氫為主、明顯缺乏氧氣而二氧化碳含量遠比現代高。海洋面積廣闊，在地表占絕對優勢，海水為酸性礦化水、但含鹽量遠低于現代海洋。零星的陸地灼熱而荒蕪，某些淺海開始出現蛋口質與核酸，后期并發展為原核細胞，構成形態簡單的細菌與藍綠藻，雖然生物圈尚未形成，但生物的出現無疑是太古宙地球發展史中最重要的事件。

藍細菌形成的層疊石

3. 元古宙

距今25億年—5.41億年，持續時間19.59億年，分為古元古代（距今25億年—16億年）、中元古代（距今16億年-10億年）和新元古代（距今10億年-5.41億年)三個代。新元古代的后期即距今6.35億年—5.41億年，稱為埃迪卡拉紀，在我國通常稱為震旦紀。

元古宙曾發生多次構造運動，如我國的五臺運動、呂梁運動、澄江運動、薊縣運動，北美洲的克諾勒運動、哈德遜運動、格倫維爾運動、貝爾特運動等。構造運動使太古宙陸核進一步擴大，逐漸拼接為規模較大且較穩定的原地臺，并于其上形成了沉積蓋層。陸殼增厚變廣，最后形成了大面積的古地臺。大氣CO2，濃度降低，游離氧增加到目前的1/1000，即達到游離點，表明大氣圈已轉化為氧化環境，至少可以說已不再是一個缺氧大氣圈。而氧的增多，既促進了巖石風化及沉積作用，更為生物發展奠定了物質基礎。

元古宙生物進化最重要的特征是原核生物進化為真核生物，單細胞生物向多細胞生物轉化，厭氣生物向好氧生物轉化物種數增多，植物得到第一次大發展，綠藻、輪藻、褐藻、紅藻等能進行光合作用的原始低等植物大量出現。晚期并開始出現原始動物。大洋洲伊迪卡拉動物群中已有疊層石、腔腸動物、蠕蟲動物與節肢動物；北美洲則有海綿。

元古宙晚期即震旦紀，由多種變質巖構成其基底的古地臺已經形成，其中一部分還發育了穩定的沉積蓋層，另一部分因未接受沉積而成為地盾。主要的古地臺如巴西地臺、非洲地臺、印度地臺和澳大利亞地臺，構成了一個聯合古陸即岡瓦納古陸或稱南方古陸，直到中生代才發生分裂。另一些古地臺則包括中國地臺、西伯利亞地臺、俄羅斯地臺、加拿大地臺等。

4.早古生代

距今5.41億年-4.19億年，持續時間1.24億年年。早古生代包括寒武紀、奧陶紀和志留紀三個紀。早古生代初期的大地構造輪廓與震旦紀非常相似，但加里東運動改變了一切，板塊碰撞使海陸形勢發生了巨大變化，從總體上說仍以海洋占優勢，例如，北美洲與俄羅斯古陸間有古太平洋，俄羅斯與西伯利亞古陸間有古烏拉爾海，西伯利亞與華北古陸、塔里木古陸間有古北亞海，華北古陸與華南古陸間有秦嶺海，北美洲古陸與澳大利亞古陸外側為古太平洋，而且最重要的是北方各古陸與南方的岡瓦納古陸間有古地中海。志留紀末的加里東運動使北美洲板塊與歐洲板塊對接形成勞亞古陸，古大西洋關閉，古北亞海之組成部分的祁連海消失，直地中海步受影響，全球出現海退，陸表淺海縮小，陸地面積擴大。

寒武紀及奧陶紀早、中期氣候較溫暖、干燥，奧陶紀晚期氣轉寒并出現震旦紀之后又一次大冰期，并導致全球海洋面下降。志留紀初，除高緯區外其余各地大都為千熱氣候故當時碳酸鹽、生物礁、海相紅層分布廣泛。

由于海生無脊椎動物空前繁盛，地質學家稱早古生代為海生無脊椎動物時代，而寒武紀又以三葉蟲時代著稱。作為脊椎動物的原始魚類在奧陶紀就已出現，海生藻類在寒武紀，奧陶紀還占主要地位，到志留紀則出現了半陸生裸蕨植物。但真正引人注目的是從寒武紀開始因生物猛烈增長而形成所謂生命大爆發，科學家公認這是地球生命發展史上的重大事件，具體表現為生物數量劇增，密度變大，分布范圍大大擴展，動物界出現了硬軀體物種等。

5. 晚古生代

距今4.19億年—2.52億年，持續時間1.67×10°年，晚古生代包括泥盆紀、石炭紀和二疊紀。從泥盆紀開始，淺海明顯向大陸轉化。華力西（海西）運動使許多地槽發生強烈褶皺，同時發生巖漿侵入和火山噴發。由于烏拉爾地槽發生褶皺，歐美古陸與西伯利亞古陸合并形成了勞亞古陸，并形成了與南方的岡瓦納古陸既互相連接又隔著古地中海南北對峙的格局。一個新的聯合古陸或泛大陸出現在地球表面。

地層資料揭示，泥盆紀亞歐大陸大部、北美洲大陸大部、格陵蘭、非洲北部和澳大利亞廣泛發育紅層和蒸發巖，表明上述地區當時正處于熱帶、亞熱帶，且氣候比較于燥，而西非、南美東部及南部或發育山岳冰川，或形成大陸冰蓋，則顯然處于高緯環境。因此可以認為泥盆紀時，地球氣候及整體自然界已表現出地域分異現象，大氣中的氧含量較之早古生代亦有所增加。

晚古生代的另一重要特征是植物及脊椎動物大發展，且生物受氣候影響而表現出更明顯的地帶性分異。泥盆紀因有以裸蕨為代表的繁盛的陸生孢子植物而被稱為裸蕨時代。石炭紀、二疊紀石松類、節蕨類、種子蕨類等較高級植物取代裸蕨并形成茂密的森林，因而被稱為蕨類時代。晚二疊紀裸子植物如松柏、蘇鐵等漸次出現。動物方面，魚類在泥盆紀已很繁盛，僅中國就有52屬，所以泥盆紀又稱魚類時代。石炭紀時魚類的一部分適應地殼運動和海退的形勢，演化為兩棲類，其中的一部分更在石炭紀中晚期演化成為爬行類。

晚古生代也發生了多次災難性事件，如晚泥盆世因造礁生物量下降，二疊紀末羊齒植物、三葉蟲、蜓類、菊石、腕足類的全部或大部滅絕等

6. 中生代

中生代包括三疊紀、侏羅紀、白堊紀，距今2.52億年-0.66億年，持續時間1.86億年。構造運動劇烈而頻繁是中生代的主要特征之一。晚二疊紀泛大陸在晚三疊紀重新開始分裂并延續到新生代。三疊紀、侏羅紀北大西洋開始擴張，北美洲與非洲率先分裂，形成北部的勞倫斯與亞細亞即勞亞古陸與南部的岡瓦納古陸。侏羅紀一白堊紀間南美洲與非洲分裂，南大西洋開始擴張。非洲與印度則在侏羅紀同南極與澳大利亞分離，其間開始形成印度洋。白堊紀時北大西洋向北展寬，隨著印度向東北漂移，印度洋逐漸擴大，而古地中海日益縮小。環太平洋區域構造運動尤其強烈。

造山運動普遍而強烈。歐洲有老阿爾卑斯運動，美洲有內華達運動與拉拉米運動，中國為印支運動與燕山運動。褶皺、斷裂與巖漿活動極為活躍，中國大陸的基本輪廓即在此時建立。

初期氣候比較炎熱干燥，后期漸轉溫暖濕潤。當時的赤道兩側各有一條干旱帶，表明行星風系已經建立并對氣候及自然界的地域分異產生作用。侏羅紀海域擴大，氣候更濕潤。白堊紀也較溫暖濕潤，海域比侏羅紀更廣生物界變化顯著，裸子植物成為最繁盛的門類，蘇鐵、銀杏與松柏類陸生植物的發展為爬行動物提供了豐富的食物，以致爬行動物成為數量最多的脊索動物，陸地上有恐龍，海上有魚龍和蛇頸龍，空中有翼龍。海生無脊索動物菊石也頗興盛。因此中生代被稱為恐龍時代、菊石時代或蘇鐵時代。三疊紀晚期，爬行類開始向哺乳類和鳥類演化，白堊紀鳥類特征已與現代鳥類接近。到白堊紀末，盛極一時的物種尤其是恐龍突然滅絕。

7. 新生代

新生代始于距今6600萬年前，是地球地質史上最短的一個代，包括古近紀、新近紀和第四紀。古近紀舊稱早第三紀或老第三紀，時代為距今6600百萬年至2303百萬年，并分為古新世、始新世和漸新世。新近紀舊稱晚第三紀或新第三紀，始于2303百萬年前而止于258百萬年前，劃分為中新世和上新世。第四紀約始于258×10°年前，分為更新世和全新世。

此期間海底繼續擴張，澳大利亞與南極洲分離，東非發生張裂，印度與亞歐大陸碰撞，強烈的構造運動（歐洲稱新阿爾卑斯運動，亞洲稱喜馬拉雅運動）使古地中海帶即阿爾卑斯-喜馬拉雅帶與環太平洋帶形成一系列巨大的褶皺山地，古地臺也發生拱曲、斷層，斷陷盆地中廣泛堆積紅層。到新近紀全球海陸分布與現代相近似。

古近紀氣候溫暖而潮濕，強烈造山運動后大氣環流系統發生變化，許多地方趨向于冷。青藏高原的隆起給東亞季風環流以巨大影響，華中、華南發育暖濕森林。第四紀溫帶與兩極進一步變冷，地球再次發生大規模冰川作用并經歷了多次冰期與間冰期。

被子植物空前發展，森林植被在原有針葉林基礎上出現常綠闊葉林、落葉闊葉林等，從而變得多樣化。新近紀初出現了以單子葉草本植物為主的草原，第四紀出現苔原。哺乳動物也空前繁盛，故新生代又稱哺乳動物時代。被子植物發達促進昆蟲進而鳥類的昌盛。草原擴大后，以有蹄類和嚙齒類為代表的草原動物群也相應得到發展。

然而新生代最重要的事件仍然是第四紀出現了人類，所以第四紀又稱靈生代。新構造運動強烈、頻繁而且普遍，是第四紀又一重要特征，表現為大洋中脊擴張，澳大利亞大陸向東北漂移，青藏高原和喜馬拉雅山以前所未有的速度繼續上升以致成為亞洲乃至全球氣候與環境變化的重要因素等。