Fossilerne i Montana strækker sig helt tilbage til prækambrium. I det sene prækambrium var det vestlige Montana dækket af et varmt, lavvandet hav. Dette hav var hjemsted for stromatolitter og for bundlevende marint liv, hvis spor på bentiske sedimenter senere ville blive fossileret. Montanas liv på den tid omfattede leddyr, blågrønne alger, konularer, svampe og orme. Deres fossiler blev bevaret i det, der nu er kendt som Glacier National Park. Ormene efterlod sporfossiler som f.eks. huludfyldninger og spor gennem sedimentet. I den efterfølgende kambriske periode var staten stadig i vid udstrækning dækket af havvand. Montanas kambriske hav var hjemsted for alger, hvirvelløse dyr og endda nogle af de første kendte hvirveldyr. Senere efterlod de kambriske trilobitter rester i Nixon Gulch, Horseshoe Hills nord for Manhattan, Sawtooth-Lewis and Clark ranges vest for Augusta og Bridger Range nord for Bozeman. Havet trak sig til sidst tilbage fra staten, og det meste af Montanas siluriske og tidlige devoniske sedimenter gik tabt som følge af erosion. I den sene devoniske periode blev næsten hele staten igen oversvømmet af havet. Montanas sen-devoniske hav var hjemsted for brachiopoder, conodonts, crinoider, fisk, bløddyr og svampe. Havene fortsatte med at dække staten ind i karbonperioden. På det tidspunkt var staten hjemsted for en forvirrende række af bruskede fisk. Længere inde i palæozoikum efterlod Mississippiske brachiopoder, bryozoer og koraller fossiler i Bridger Range og ved Shell Mountain syd for Big Timber. Senere i Karbon, i løbet af Pennsylvanian-epoken, begyndte havet at trække sig tilbage. Geologisk løftning hævede de nordlige og nordvestlige regioner i staten. Montana var igen dækket af havet i et kort interval af Perm-perioden.
I den tidlige Trias lå Montana omkring tredive breddegrader nord for ækvator. Havet vendte tilbage to gange for at dække betydelige områder af Montana i løbet af den efterfølgende triasperiode. Statens eneste kendte nutidige fossiler er resterne af dette havets indbyggere. På land var Montana varmt og tørt. På det tidspunkt var det sydvestligste hjørne af Montana dækket af en lille udvidelse af det lavvandede hav, der dækkede den nordamerikanske vestkyst og strakte sig ind i det nordlige Canada. Det sydlige centrale Montana var derimod en ørken, der var delt af vandløb. Uden for disse områder vides der ikke meget, fordi sedimenterne blev eroderet snarere end aflejret. I løbet af Jura vendte havet tilbage og dækkede staten. Havet blev gradvist fyldt op af sedimenter, der blev eroderet væk fra områder med højere beliggenhed i den vestlige del af staten. I slutningen af juratiden var det meste af Montana dækket af havvand, svarende til det, der dækkede det sydvestlige hjørne i triastiden. Ironisk nok var der på dette tidspunkt en ø i det sydvestlige område af staten. Dette hav ville have været hjemsted for blæksprutter, crinoider, ichthyosaurer og pelecypoder. På det tidspunkt lå Montana på omkring 40 graders breddegrad. Statens flora bestod af nåletræer, cycader, bregner og ginkgoer. Syd for Montanas hav lå en kystslette, der var delt af vandløb, der flød mod vest fra områder med højere beliggenhed mod øst. Denne kystslette var hjemsted for dinosaurer, herunder ornithopoden Camptosaurus, sauropoderne Apatosaurus og Diplodocus samt theropoden Allosaurus. Disse sedimenter aflejrede det, der nu er kendt som Morrison-formationen.
I 30 millioner år efter aflejringen af Morrison-formationen blev sedimenterne i Montana eroderet i stedet for at blive aflejret. Der var stadig havvand til stede i Montana, som nu strækker sig som en indfatning ned fra polarcirklen. Floder flød stadig ud i det lokale hav, men den lokale dinosaurfauna var meget anderledes. Blandt de kødædere, der levede her, var Deinonychus og Microvenator. Herbivorer omfattede Sauropelta og Tenontosaurus. Omkring dette tidspunkt dukkede de blomstrende planter for første gang op i staten. I den midterste del af kridttiden var Montana delvist dækket af det vestlige indre havområde. Betydelige vulkanudbrud fandt sted i Montana i den tid, hvor den vestlige indre søvej fandtes. Dette hav var hjemsted for blæksprutter, muslinger og plesiosaurer. De sedimenter, der blev aflejret af dette hav, udgør det, der nu kaldes Colorado-gruppen. Man ved ikke, at der er bevaret nogen dinosaurfossiler i Colorado-gruppen i Montana, men uden for staten er der lejlighedsvis gjort fund. Det sydvestlige Montana var tørt land, men ingen af disse aflejringer har endnu givet dinosaurfossiler. For 85 millioner år siden trak det vestlige indre havområde sig lidt tilbage og efterlod det vestlige Montana som en kystslette. Dinosaurer var til stede, men efterlod sjældent fossile rester. Havet var hjemsted for dyr som blæksprutter, snegle, mosasaurer, pelecypoder og plesiosaurer.
I løbet af Campanian-fasen i den sene kridttid var kystsletten, der grænser op til Western Interior Seaway, omgivet af floder og spækket med et par søer. Disse vandmasser aflejrede de sedimenter, der senere blev til Two Medicine-formationen. Vulkaner i nærheden var i udbrud og aflejrede aske, som senere blev til bentonit. Klimaet var halvt tørt. Floraen på kystsletten omfattede nåletræskove, løvtræer og bregner. En bred vifte af dinosaurer levede i Montana på dette tidspunkt. Hadrosaurer med andeskæfte var almindelige beboere på Montanas Campanian-kystsletter. Maiasaura er et eksempel herpå. Montana har en særlig god fossilhistorie af ceratopsiddinosaurer. Eksempler på nutidige lokale ceratopsider omfatter Einiosaurus. Theropoderne Daspletosaurus og Troodon var også til stede. Både Maiasaura og Troodon er kendt for at have dannet redekolonier i området. Fossile dinosaur-fodspor fra den sene kridttid er overraskende sjældne i Montana sammenlignet med andre vestlige stater med samtidige forekomster. Det kan skyldes, at de lokale gamle miljøer ikke er velegnede til sporbevaring, eller blot fordi forskerne endnu ikke har ledt de rigtige steder.
Tidligt i Maastrichtian udvidede det vestlige indre havområde sine grænser noget. Den var hjemsted for blæksprutter, muslinger, krebsdyr, fisk, snegle, mosasaurer og plesiosaurer. Senere i Maastrichtian var der stadigvæk vulkansk aktivitet i Elkhorn-regionen, og det vestlige indre havområde begyndte at trække sig tilbage. Denne tilbagetrækning ville ende med at resultere i, at de to halvdele af Nordamerika blev genforenet. Efterhånden som havvejen trak sig tilbage, blev området tættest på Rocky Mountains en voksende ørken. Det østlige Montana var derimod varmt og fugtigt, da kystsletten også udvidede sig som følge af den marine tilbagegang. I det sene Maastrichtium strømmede store floder gennem den østlige del af staten og aflejrede de sedimenter, der en dag skulle blive til Hell Creek-formationen. På det tidspunkt var Montana hjemsted for nogle af de mest berømte dinosaurer; skabninger som Edmontosaurus, Pachycephalosaurus, Triceratops og Tyrannosaurus.
I løbet af det tidlige Kænozoikum begyndte havet at trække sig tilbage fra Montana for sidste gang. Ekstrem tektonisk aktivitet var med til at danne lokale bjerge og hævede en stor del af statens højde. De lokale nedbørsmængder steg og faldt. Montana var hjemsted for væsner som hunde og titanoter. De tertiære aflejringer fra den sydvestlige del af staten er en af de bedste kilder til plante- og insektfossiler i Nordamerika. Mere end to hundrede arter af planter, insekter og fisk er kendt fra disse aflejringer. Floraen omfattede bl.a. vandliljer og lotusser. I løbet af tertiæret var Montana hjemsted for sumpe, der senere ville efterlade kul. Den hvirvelløse fauna bestod af myrer, bier, biller, øresnegle, kålorme, tranebærfluer, dambrugsfluer, dambrugsfluer, lanternefluer, enmåfluer, græshopper, bladhopper, myg, snegle og hvepse. De nutidige hvirveldyrfossiler omfattede fjer og en gang imellem en fugl. Blandt den oligocæne flora i Montana fandtes ailanthus, ask, bøg, kattegræs, cedertræer, kinæbletræ, kornel, elm, bregner, skvalderkål, bregnebusk, stikkelsbær, klatrende druer, græsser, grønbede, hestehalm, jerntræ, katsuratræ, leverpostej, bjergmahogni, ahorn, falsk havfrue, mosser, eg, pennikræs, damurt, rødtjørn, roser, siv, røgtræ, snebær, spiraea, falsk jordbær og vikker. Lignende floraer er kendt fra Florissant i Colorado og Oregon. Montanas Miocæne planter og bløddyr har efterladt rester ved Bear Butte, nordvest for Melville i Sweet Grass Countys Fort Union Beds. De Miocæne pattedyr, der er bevaret i Fort Union-lagene, omfattede arctocyonider, insektædere, multituberculater, pantodonts, primater, taeniodonts. I løbet af Miocæn var Montana også hjemsted for kameler og heste. Senere i Kænozoikum blev Montana koldere og vådere. Istidsaktivitet gennemsøgte staten. På dette tidspunkt levede mammutter, moskusokser og ulve i de områder af staten, der ikke var dækket af gletsjere.