El registro fósil en Montana se remonta hasta el Precámbrico. Durante el Precámbrico tardío, el oeste de Montana estaba cubierto por un mar cálido y poco profundo. Este mar albergaba estromatolitos y vida marina que vivía en el fondo, cuyas huellas en el sedimento bentónico se fosilizarían más tarde. La vida montanesa de la época incluía artrópodos, algas verdeazuladas, conularios, hongos y gusanos. Sus fósiles se conservaron en lo que hoy se conoce como Parque Nacional de los Glaciares. Los gusanos dejaron rastros fósiles como rellenos de madrigueras y rastros en el sedimento. Durante el período Cámbrico subsiguiente, el estado todavía estaba cubierto en gran parte por agua de mar. El mar Cámbrico de Montana albergaba algas, invertebrados e incluso algunos de los primeros vertebrados conocidos. Más tarde, los trilobites del Cámbrico dejaron restos en Nixon Gulch, Horseshoe Hills al norte de Manhattan, las cordilleras Sawtooth-Lewis y Clark al oeste de Augusta y la cordillera Bridger al norte de Bozeman. Con el tiempo, el mar se retiró del estado y la mayor parte de los sedimentos del Silúrico y el Devónico temprano de Montana se perdieron por la erosión. Durante el Devónico tardío, casi todo el estado volvió a ser inundado por el mar. El mar del Devónico tardío de Montana albergaba braquiópodos, conodontos, crinoides, peces, moluscos y esponjas. Los mares siguieron cubriendo el estado hasta el periodo Carbonífero. En esa época, el estado albergaba una desconcertante variedad de peces cartilaginosos. Más adelante en el Paleozoico, los braquiópodos, briozoos y corales del Mississippi dejaron fósiles en la cordillera Bridger y en la montaña Shell, al sur de Big Timber. Más adelante, en el Carbonífero, durante la época del Pensilvania, el mar comenzó a retroceder. El levantamiento geológico elevó la altura de las regiones del norte y el noroeste del estado. Montana volvió a estar cubierta por el mar durante un breve intervalo del período Pérmico.
Durante el Triásico temprano, Montana estaba situada a unos treinta grados de latitud al norte del ecuador. El mar regresó dos veces para cubrir áreas significativas de Montana durante el siguiente período Triásico. Los únicos fósiles contemporáneos conocidos del estado son los restos de los habitantes de este mar. En tierra, Montana era cálido y seco. En aquella época, el extremo suroccidental de Montana estaba cubierto por una pequeña extensión del mar poco profundo que cubría la costa occidental de Norteamérica y se extendía hasta el norte de Canadá. El centro sur de Montana, por el contrario, era un desierto dividido por arroyos. Fuera de estas regiones se sabe poco porque los sedimentos se erosionaban más que se depositaban. Durante el Jurásico, el mar volvió a cubrir el estado. El mar fue rellenado gradualmente por los sedimentos erosionados en las zonas de mayor altitud de la región occidental del estado. Durante el Jurásico tardío, la mayor parte de Montana estaba cubierta por agua de mar, similar a la que cubría el extremo suroeste durante el Triásico. Irónicamente, en este momento la zona suroeste del estado contenía una isla. Este mar habría sido el hogar de cefalópodos, crinoideos, ictiosaurios y pelecípodos. En aquella época, Montana estaba situada a unos 40 grados de latitud. La flora del estado consistía en coníferas, cícadas, helechos y ginkgos. Al sur del mar de Montana había una llanura costera dividida por arroyos que fluían hacia el oeste desde zonas de mayor altitud hacia el este. Esta llanura costera fue el hogar de dinosaurios como el ornitópodo Camptosaurus, los saurópodos Apatosaurus y Diplodocus, y el terópodo Allosaurus. Estos sedimentos depositaron lo que ahora se conoce como la Formación Morrison.
Durante los treinta millones de años siguientes a la deposición de la Formación Morrison, los sedimentos de Montana se erosionaron en lugar de depositarse. El agua de mar seguía presente en Montana, que ahora se extendía como una bahía desde el Círculo Polar Ártico. Los ríos seguían desembocando en el mar local, pero la fauna local de dinosaurios era muy diferente. Los carnívoros que vivían aquí incluían al Deinonychus y al Microvenator. Los herbívoros incluían al Sauropelta y al Tenontosaurus. Alrededor de esta época las plantas con flores harían su primera aparición en el estado. Durante la parte media del Cretácico, Montana estaba parcialmente cubierta por el Mar Interior Occidental. En Montana se produjeron importantes erupciones volcánicas durante la época del Mar Interior Occidental. Este mar albergaba cefalópodos, almejas y plesiosaurios. Los sedimentos depositados por este mar componen lo que ahora se llama el Grupo Colorado. No se conocen fósiles de dinosaurios conservados en el Grupo Colorado en Montana, pero fuera del estado se han hecho descubrimientos ocasionales. El suroeste de Montana era tierra firme, pero ninguno de esos yacimientos ha proporcionado aún fósiles de dinosaurios. Hace 85 millones de años, el mar interior occidental se retiró ligeramente dejando el oeste de Montana como una llanura costera. Los dinosaurios estaban presentes pero rara vez dejaban restos fósiles. El mar era el hogar de animales como cefalópodos, gasterópodos, mosasaurios, pelecípodos y plesiosaurios.
Durante la Etapa Campaniana del Cretácico Superior la llanura costera que bordeaba el Mar Interior Occidental estaba bordeada de ríos y salpicada de algunos lagos. Estas masas de agua depositaron los sedimentos que más tarde se convirtieron en la Formación Dos Medicamentos. Los volcanes cercanos entraban en erupción, depositando cenizas que más tarde se convertirían en bentonita. El clima era semiárido. La flora de la llanura costera incluía bosques de coníferas, árboles caducifolios y helechos. Una gran variedad de dinosaurios vivía en Montana en esta época. Los hadrosaurios de pico de pato eran habitantes comunes de las llanuras costeras del Campaniano de Montana. El Maiasaura es un ejemplo. Montana tiene un registro fósil especialmente bueno de dinosaurios ceratópsidos. Entre los ejemplos de ceratópsidos locales contemporáneos se encuentra el Einiosaurus. Los terópodos Daspletosaurus y Troodon también estaban presentes. Se sabe que tanto Maiasaura como Troodon han formado colonias de anidación en la zona. Las huellas fósiles de dinosaurios del Cretácico Superior son sorprendentemente escasas en Montana en comparación con otros estados occidentales con depósitos contemporáneos. Esto podría deberse a que los antiguos entornos locales no son muy adecuados para la conservación de las huellas o simplemente a que los científicos aún no han buscado en los lugares adecuados.
A principios del Maastrichtiano el mar interior occidental amplió algo sus límites. Era el hogar de cefalópodos, almejas, crustáceos, peces, gasterópodos, mosasaurios y plesiosaurios. Más adelante, en el Maastrichtiano, la actividad volcánica continuaba en la región del Elkhorn y el mar interior occidental comenzó a retroceder. Esta regresión acabaría provocando la reunión de las dos mitades de América del Norte. A medida que la vía marítima se retiraba, la zona más cercana a las Montañas Rocosas se convirtió en un desierto en expansión. Por el contrario, el este de Montana era cálido y húmedo, ya que la llanura costera también se estaba expandiendo como resultado de la regresión marina. A finales del Maastrichtiano, grandes ríos fluyeron por la parte oriental del estado, depositando los sedimentos que un día se convertirían en la Formación Hell Creek. En esa época, Montana fue el hogar de algunos de los dinosaurios más famosos; criaturas como el Edmontosaurus, el Pachycephalosaurus, el Triceratops y el Tyrannosaurus.
Durante el Cenozoico temprano, el mar comenzó a retirarse de Montana por última vez. La extrema actividad tectónica ayudó a formar las montañas locales y elevó gran parte de la elevación del estado. Los niveles locales de precipitación subieron y bajaron. Montana fue el hogar de criaturas como los perros y los titanes. Los depósitos terciarios del suroeste del estado son una de las mejores fuentes de fósiles de plantas e insectos de Norteamérica. De estos yacimientos se conocen más de doscientas especies de plantas, insectos y peces. La flora incluye nenúfares y lotos. Durante el Terciario, Montana albergaba pantanos que más tarde dejarían carbón. La fauna invertebrada estaba formada por hormigas, abejas, escarabajos, tijeretas, moscas caddis, moscas grúa, caballitos del diablo, moscas de la linterna, moscas de mayo, saltamontes, saltahojas, mosquitos, caracoles y avispas. Los fósiles de vertebrados contemporáneos incluían plumas y, de vez en cuando, algún pájaro. Entre la flora del Oligoceno de Montana se encontraban el ailanto, el fresno, el haya, la espadaña, el cedro, el cinquefoil, el cornejo, el olmo, los helechos, el milfoil fernbush, la grosella espinosa, las uvas trepadoras, las hierbas, las espinas verdes, las colas de caballo, palo de hierro, árbol de katsura, hepática, caoba de montaña, arce, falsa sirena, musgos, roble, mastuerzo, algas, secuoya del alba, rosas, juncias, árbol del humo, baya de la nieve, spiraea, falsa fresa y vezas. Se conocen floras similares en el Florissant de Colorado y Oregón. Las plantas y moluscos del Mioceno de Montana dejaron restos en Bear Butte, al noroeste de Melville, en los lechos de Fort Union del condado de Sweet Grass. Los mamíferos del Mioceno conservados en los lechos de Fort Union incluían arctocónidos, insectívoros, multituberculados, pantodontes, primates y taeniodontes. Durante el Mioceno, Montana también albergaba camellos y caballos. Más adelante, en el Cenozoico, Montana se volvió más fría y húmeda. La actividad de los glaciares arrasó el estado. En esta época, los mamuts, los bueyes almizcleros y los lobos huérfanos vivían en las zonas del estado no cubiertas por los glaciares.