Die Fossilienaufzeichnungen in Montana reichen bis ins Präkambrium zurück. Während des späten Präkambriums war das westliche Montana von einem warmen, flachen Meer bedeckt. Dieses Meer beherbergte Stromatolithen und bodenbewohnende Meereslebewesen, deren Spuren auf dem benthischen Sediment später versteinern sollten. Zu den damaligen Lebewesen in Montana gehörten Arthropoden, Blaualgen, Konularien, Pilze und Würmer. Ihre Fossilien wurden im heutigen Glacier National Park konserviert. Die Würmer hinterließen Spurenfossilien wie Höhlenfüllungen und Spuren im Sediment. Während der darauf folgenden Kambrium-Periode war der Staat noch weitgehend von Meerwasser bedeckt. Das kambrische Meer in Montana war die Heimat von Algen, wirbellosen Tieren und sogar einigen der ersten bekannten Wirbeltiere. Später hinterließen Trilobiten aus dem Kambrium Überreste in der Nixon Gulch, in den Horseshoe Hills nördlich von Manhattan, in den Sawtooth-Lewis and Clark Mountains westlich von Augusta und in der Bridger Range nördlich von Bozeman. Das Meer zog sich schließlich aus dem Bundesstaat zurück, und der größte Teil der silurischen und frühdevonischen Sedimente Montanas ging durch Erosion verloren. Während des Spätdevon wurde fast der gesamte Staat erneut vom Meer überflutet. In Montanas spätdevonischem Meer lebten Brachiopoden, Conodonten, Seelilien, Fische, Mollusken und Schwämme. Die Meere bedeckten den Bundesstaat noch bis ins Karbon. Zu dieser Zeit war der Staat die Heimat einer verwirrenden Vielfalt von Knorpelfischen. Weiter im Paläozoikum hinterließen Brachiopoden, Bryozoen und Korallen aus dem Mississippi Fossilien in der Bridger Range und am Shell Mountain südlich von Big Timber. Später im Karbon, während des Pennsylvanischen Zeitalters, begann sich das Meer zurückzuziehen. Die geologische Hebung hob die nördlichen und nordwestlichen Regionen des Staates an. Montana war während des Perms für kurze Zeit wieder vom Meer bedeckt.
Während der frühen Trias lag Montana etwa dreißig Breitengrade nördlich des Äquators. Das Meer kehrte zweimal zurück und bedeckte während der darauffolgenden Triaszeit große Gebiete Montanas. Die einzigen bekannten zeitgenössischen Fossilien des Staates sind die Überreste der Bewohner dieses Meeres. An Land war Montana heiß und trocken. Zu dieser Zeit war die südwestlichste Ecke Montanas von einer kleinen Ausdehnung des flachen Meeres bedeckt, das die Westküste Nordamerikas bedeckte und sich bis ins nördliche Kanada erstreckte. Das südliche Zentral-Montana dagegen war eine von Flüssen durchzogene Wüste. Außerhalb dieser Regionen ist wenig bekannt, da die Sedimente eher erodiert als abgelagert wurden. Während des Juras kehrte das Meer zurück und bedeckte den Staat. Das Meer wurde allmählich durch Sedimente aufgefüllt, die aus den höher gelegenen Gebieten im Westen des Staates abgetragen wurden. Während des Spätjuras war der größte Teil von Montana mit Meerwasser bedeckt, ähnlich wie die südwestliche Ecke während der Trias. Ironischerweise befand sich zu diesem Zeitpunkt im südwestlichen Teil des Staates eine Insel. In diesem Meer lebten Cephalopoden, Crinoiden, Ichthyosaurier und Pelecypoden. Zu dieser Zeit lag Montana auf einem Breitengrad von etwa 40 Grad. Die Flora des Staates bestand aus Koniferen, Cycaden, Farnen und Ginkgos. Südlich des Meeres von Montana befand sich eine Küstenebene, die durch Flüsse geteilt wurde, die von höher gelegenen Gebieten im Osten nach Westen flossen. In dieser Küstenebene lebten Dinosaurier wie der Ornithopode Camptosaurus, die Sauropoden Apatosaurus und Diplodocus sowie der Theropode Allosaurus. Diese Sedimente lagerten das ab, was heute als Morrison-Formation bekannt ist.
Dreißig Millionen Jahre lang nach der Ablagerung der Morrison-Formation wurden die Sedimente in Montana eher erodiert als abgelagert. In Montana war immer noch Meerwasser vorhanden, das sich nun als Einbuchtung vom Polarkreis herab erstreckte. Die Flüsse flossen immer noch ins Meer, aber die lokale Dinosaurierfauna hatte sich stark verändert. Zu den hier lebenden Fleischfressern gehörten Deinonychus und Microvenator. Zu den Pflanzenfressern gehörten Sauropelta und Tenontosaurus. Etwa zu dieser Zeit traten erstmals blühende Pflanzen in diesem Staat auf. Während des mittleren Teils der Kreidezeit war Montana teilweise vom westlichen inneren Seeweg bedeckt. Während der Zeit des Western Interior Seaways kam es in Montana zu bedeutenden Vulkanausbrüchen. In diesem Meer lebten Cephalopoden, Muscheln und Plesiosaurier. Die von diesem Meer abgelagerten Sedimente bilden das, was heute als Colorado-Gruppe bezeichnet wird. Es ist nicht bekannt, dass in der Colorado-Gruppe in Montana Dinosaurierfossilien erhalten geblieben sind, aber außerhalb des Staates wurden gelegentlich Funde gemacht. Der Südwesten Montanas war trockenes Land, aber keine dieser Ablagerungen hat bisher Dinosaurierfossilien hervorgebracht. Vor 85 Millionen Jahren zog sich der Westliche Innere Ozean etwas zurück und hinterließ den Westen Montanas als Küstenebene. Dinosaurier waren zwar vorhanden, hinterließen aber nur selten versteinerte Überreste. Das Meer beherbergte Tiere wie Kopffüßer, Gastropoden, Mosasaurier, Pelecypoden und Plesiosaurier.
Während des Campaniums der späten Kreidezeit war die Küstenebene, die an den Westlichen Inneren Seeweg grenzte, von Flüssen gesäumt und mit einigen Seen übersät. In diesen Gewässern lagerten sich die Sedimente ab, aus denen später die Two Medicine Formation entstand. In der Nähe brachen Vulkane aus und lagerten Asche ab, die später zu Bentonit wurde. Das Klima war halbtrocken. Die Flora der Küstenebene bestand aus Nadelwäldern, Laubbäumen und Farnen. Zu dieser Zeit lebte in Montana eine Vielzahl von Dinosauriern. Entenschnabel-Hadrosaurier waren häufige Bewohner der kampanischen Küstenebenen von Montana. Maiasaura ist ein Beispiel dafür. Montana verfügt über besonders viele Fossilien von ceratopsiden Dinosauriern. Beispiele für zeitgenössische Ceratopsiden sind Einiosaurus. Die Theropoden Daspletosaurus und Troodon waren ebenfalls vertreten. Sowohl von Maiasaura als auch von Troodon ist bekannt, dass sie in diesem Gebiet Nistkolonien gebildet haben. Fossile Dinosaurier-Fußabdrücke aus der späten Kreidezeit sind in Montana im Vergleich zu anderen westlichen Staaten mit zeitgenössischen Ablagerungen erstaunlich selten. Das könnte daran liegen, dass die alten Umgebungen vor Ort nicht gut für die Erhaltung der Spuren geeignet sind oder einfach daran, dass die Wissenschaftler noch nicht an den richtigen Stellen gesucht haben.
Früh im Maastrichtium dehnte der Westliche Innere Ozean seine Grenzen etwas aus. Er war die Heimat von Kopffüßern, Muscheln, Krebstieren, Fischen, Schnecken, Mosasauriern und Plesiosauriern. Später in der Maastricht-Phase war die vulkanische Aktivität in der Elkhorn-Region noch nicht abgeschlossen, und der Westliche Innere Ozean begann sich zurückzuziehen. Dieser Rückzug führte schließlich dazu, dass sich die beiden Hälften Nordamerikas wieder vereinigten. Als sich der Meeresweg zurückzog, wurde das Gebiet in der Nähe der Rocky Mountains zu einer sich ausdehnenden Wüste. Das östliche Montana hingegen war heiß und feucht, da sich die Küstenebene infolge der marinen Regression ebenfalls ausdehnte. Im späten Maastricht-Stadium flossen große Flüsse durch den östlichen Teil des Staates und lagerten die Sedimente ab, aus denen eines Tages die Hell-Creek-Formation entstehen sollte. Zu dieser Zeit lebten in Montana einige der berühmtesten Dinosaurier, darunter Edmontosaurus, Pachycephalosaurus, Triceratops und Tyrannosaurus.
Im frühen Känozoikum zog sich das Meer zum letzten Mal aus Montana zurück. Extreme tektonische Aktivitäten trugen zur Bildung lokaler Berge bei und hoben einen Großteil des Staates in die Höhe. Die lokalen Niederschlagsmengen stiegen und fielen. Montana war die Heimat von Lebewesen wie Hunden und Titanotheres. Die tertiären Ablagerungen im südwestlichen Teil des Staates sind eine der besten Quellen für Pflanzen- und Insektenfossilien in Nordamerika. Mehr als zweihundert Pflanzen-, Insekten- und Fischarten sind aus diesen Ablagerungen bekannt. Zur Flora gehörten Seerosen und Lotusblumen. Während des Tertiärs war Montana die Heimat von Sümpfen, die später Kohle hinterließen. Die wirbellose Fauna bestand aus Ameisen, Bienen, Käfern, Ohrwürmern, Köcherfliegen, Kranichfliegen, Libellen, Eintagsfliegen, Heuschrecken, Blatthüpfer, Stechmücken, Schnecken und Wespen. Zu den zeitgenössischen Wirbeltierfossilien gehörten Federn und hin und wieder ein Vogel. Zur Flora des Oligozäns in Montana gehörten Ailanthus, Esche, Buche, Rohrkolben, Zeder, Fingerkraut, Hartriegel, Ulme, Farne, Farnkraut, Stachelbeere, Klettertrauben, Gräser, Gagelstrauch, Schachtelhalm, Eisenholz, Katsura-Baum, Leberblümchen, Bergmahagoni, Ahorn, Falsche Meerjungfrau, Moose, Eiche, Pennycress, Teichkraut, Morgenröte, Rosen, Seggen, Rauchbaum, Schneebeere, Spiraea, Falsche Erdbeere und Wicken. Ähnliche Flora ist aus dem Florissant von Colorado und Oregon bekannt. Die Pflanzen und Weichtiere des Miozäns in Montana hinterließen Überreste am Bear Butte, nordwestlich von Melville in den Fort Union Beds von Sweet Grass County. Zu den Säugetieren des Miozäns, die in den Fort Union Beds erhalten sind, gehören Arctocyoniden, Insektenfresser, Multituberculaten, Pantodonten, Primaten und Taeniodonten. Im Miozän waren in Montana auch Kamele und Pferde beheimatet. Später im Känozoikum wurde es in Montana kälter und feuchter. Die Gletscher unterspülten den Staat. Zu dieser Zeit lebten Mammuts, Moschusochsen und wilde Wölfe in den nicht von Gletschern bedeckten Teilen des Staates.