Fosilní záznam v Montaně sahá až do prekambria. V pozdním prekambriu byla západní Montana pokryta teplým, mělkým mořem. Toto moře bylo domovem stromatolitů a mořských živočichů žijících na dně, jejichž stopy na bentických sedimentech později zkameněly. K tehdejšímu montánnímu životu patřili členovci, sinice, konulárie, houby a červi. Jejich zkameněliny se zachovaly na území dnešního národního parku Glacier. Červi zanechali v sedimentech zkameněliny ve formě stop, jako jsou výplně nor a stopy. V následujícím období kambria byl stát stále z velké části pokryt mořskou vodou. V kambrickém moři v Montaně žily řasy, bezobratlí a dokonce i někteří z prvních známých obratlovců. Později po sobě kambričtí trilobiti zanechali pozůstatky v Nixon Gulch, Horseshoe Hills severně od Manhattanu, Sawtooth-Lewis and Clark Range západně od Augusty a Bridger Range severně od Bozemanu. Moře nakonec ze státu ustoupilo a většina silurských a raně devonských sedimentů v Montaně zanikla v důsledku eroze. Během pozdního devonu byl téměř celý stát opět zaplaven mořem. V pozdně devonském moři Montany žili brachiopodi, konodonti, krinoidi, ryby, měkkýši a houby. Moře pokrývala území státu i v období karbonu. V té době byl stát domovem ohromujícího množství chrupavčitých ryb. Dále v prvohorách zanechali mississippští brachiopodi, mechovky a koráli zkameněliny v Bridger Range a na Shell Mountain jižně od Big Timberu. Později v karbonu, během pensylvánské epochy, začalo moře ustupovat. Geologický zdvih zvyšoval nadmořskou výšku severních a severozápadních oblastí státu. Na krátký interval permu byla Montana opět pokryta mořem.
V průběhu raného triasu se Montana nacházela asi třicet stupňů zeměpisné šířky severně od rovníku. V následujícím období triasu se moře dvakrát vrátilo a pokrylo značná území Montany. Jediné známé současné zkameněliny státu jsou pozůstatky obyvatel tohoto moře. Na souši byla Montana horká a suchá. V té době byl nejjihozápadnější kout Montany pokryt malým rozšířením mělkého moře, které pokrývalo západní pobřeží Severní Ameriky a zasahovalo až do severní Kanady. Jižní část střední Montany byla naopak pouští rozdělenou potoky. Mimo tyto oblasti je toho známo jen málo, protože sedimenty byly spíše erodovány než ukládány. Během jury se na území státu vrátilo moře. Moře bylo postupně zaplněno sedimenty, které byly erodovány z oblastí s vyšší nadmořskou výškou v západní oblasti státu. Během pozdní jury byla většina území Montany pokryta mořskou vodou, podobnou té, která pokrývala jihozápadní cíp státu během triasu. Paradoxně se v tomto období v jihozápadní oblasti státu nacházel ostrov. Toto moře mohlo být domovem hlavonožců, krinoidů, ichtyosaurů a pelecypodů. V té době se Montana nacházela přibližně na 40. stupni zeměpisné šířky. Rostlinstvo státu tvořily jehličnany, cykasy, kapradiny a jinany. Jižně od montanského moře se rozkládala pobřežní nížina rozdělená potoky tekoucími na západ od oblastí s vyšší nadmořskou výškou na východě. Tato pobřežní nížina byla domovem dinosaurů včetně ornitopoda Camptosaura, sauropodů Apatosaura a Diplodoka a teropoda Allosaura. Tyto sedimenty uložily to, co je dnes známé jako Morrisonova formace.
Po třicet milionů let po uložení Morrisonovy formace byly sedimenty v Montaně spíše erodovány než ukládány. V Montaně byla stále přítomna mořská voda, která se nyní rozprostírala jako embayment dolů od polárního kruhu. Řeky se stále vlévaly do místního moře, ale místní dinosauří fauna byla zcela jiná. Mezi masožravce, kteří zde žili, patřili Deinonychus a Microvenator. Mezi býložravce patřili Sauropelta a Tenontosaurus. Přibližně v této době se ve státě poprvé objevily kvetoucí rostliny. Ve střední části křídy byla Montana částečně pokryta Západním vnitřním mořem. V době existence Západního vnitřního moře docházelo v Montaně k významným sopečným erupcím. Toto moře bylo domovem hlavonožců, mlžů a plesiosaurů. Sedimenty usazené v tomto moři tvoří to, co se dnes nazývá coloradská skupina. Není známo, že by se v coloradské skupině v Montaně dochovaly zkameněliny dinosaurů, ale mimo území státu byly příležitostně objeveny. Jihozápadní Montana byla suchou zemí, ale žádné z těchto ložisek zatím dinosauří zkameněliny nevydalo. Před 85 miliony let se Západní vnitrozemské moře mírně vzdálilo a zanechalo západní Montanu jako pobřežní rovinu. Dinosauři zde byli přítomni, ale zřídkakdy zanechávali zkamenělé pozůstatky. Moře bylo domovem živočichů, jako jsou hlavonožci, plži, mosasauři, pelecypodi a plesiosauři.
V průběhu kampánského stadia pozdní křídy byla pobřežní nížina lemující Západní vnitřní mořskou cestu lemována řekami a poseta několika jezery. Tyto vodní plochy ukládaly sedimenty, které se později staly formací Two Medicine. V blízkosti vybuchovaly sopky a ukládaly popel, který se později stal bentonitem. Podnebí bylo polopouštní. Rostlinstvo pobřežní nížiny zahrnovalo jehličnaté lesy, listnaté stromy a kapradiny. V této době žila v Montaně pestrá škála dinosaurů. Kachnozobí hadrosauři byli běžnými obyvateli kampánských pobřežních plání v Montaně. Maiasaura je jedním z příkladů. Montana má obzvláště dobrý fosilní záznam ceratopsidních dinosaurů. Mezi příklady současných místních ceratopsů patří Einiosaurus. Přítomni byli také teropodi Daspletosaurus a Troodon. O Maiasaurovi i Troodonovi je známo, že v oblasti tvořili hnízdní kolonie. Pozdně křídové fosilní dinosauří stopy jsou v Montaně ve srovnání s jinými západními státy se soudobými nalezišti překvapivě vzácné. To může být způsobeno tím, že zdejší dávné prostředí není příliš vhodné pro uchování stop, nebo jen tím, že vědci zatím nehledali na správných místech.
Na počátku maastrichtu západní vnitrozemské moře poněkud rozšířilo své hranice. Žili v něm hlavonožci, mlži, korýši, ryby, plži, mosasauři a plesiosauři. V pozdější fázi maastrichtu v oblasti Elkhornu stále probíhala sopečná činnost a Západní vnitřní mořská cesta se začala stahovat. Tato regrese nakonec vyústila ve znovusjednocení obou polovin Severní Ameriky. S ústupem mořské cesty se z oblasti nejblíže Skalistým horám stala rozšiřující se poušť. Východní Montana byla naopak horká a vlhká, protože pobřežní nížina se v důsledku mořské regrese také rozšiřovala. Koncem maastrichtu protékaly východní částí státu velké řeky a ukládaly sedimenty, které se jednoho dne staly útvarem Hell Creek. V té době byla Montana domovem některých z nejznámějších dinosaurů; tvorů včetně edmontosaura, pachycefalosaura, triceratopse a tyranosaura.
Na počátku kenozoika začalo moře z Montany ustupovat naposledy. Extrémní tektonická činnost napomohla vzniku místních pohoří a zvedla velkou část nadmořské výšky státu. Místní úhrny srážek se zvyšovaly a snižovaly. Montana byla domovem tvorů, jako jsou psi a titanotheres. Třetihorní usazeniny z jihozápadní části státu jsou jedním z nejlepších zdrojů zkamenělin rostlin a hmyzu v Severní Americe. Z těchto nalezišť je známo více než dvě stě druhů rostlin, hmyzu a ryb. Z flóry to byly například vodní lilie a lotosy. Během třetihor byla Montana domovem bažin, které po sobě později zanechaly uhlí. Fauna bezobratlých se skládala z mravenců, včel, brouků, ucháčů, kadeřavek, jeřábů, jepic, luceren, májek, lučních koníků, listonohů, komárů, plžů a vos. Současné zkameněliny obratlovců zahrnovaly opeřence a sem tam nějakého ptáka. Mezi oligocenní flóru Montany patřily ailanthus, jasan, buk, kočičí houby, cedr, chinovník, dřín, jilm, kapradiny, mléč, kapradinový keř, angrešt, popínavé hrozny, trávy, zelenec, přesličky, železník, katsura, jaterník, horský mahagon, javor klen, nepravá mořská panna, mechy, dub, penízovka, rdesno, jitrocel, růže, ostřice, kouřovka, sněženka, spiraea, nepravá jahoda a vikev. Podobné květeny jsou známy z florissantů v Coloradu a Oregonu. Miocenní rostliny a měkkýši z Montany po sobě zanechali pozůstatky na lokalitě Bear Butte severozápadně od Melville ve Fort Union Beds v okrese Sweet Grass. Mezi miocenní savce zachované v ložiskách Fort Union patřili arktocyonidi, hmyzožravci, multituberkuloti, pantodonti, primáti, taeniodonti. V průběhu miocénu žili v Montaně také velbloudi a koně. Později v kenozoiku se Montana stala chladnější a vlhčí. Stát byl postižen ledovcovou činností. V této době žili v oblastech státu, které nebyly pokryty ledovcem, mamuti, pižmoňové a vlci draví.