Montanan fossiilirekisteri ulottuu aina prekambrikaudelle asti. Myöhäisen prekambrikauden aikana Länsi-Montanaa peitti lämmin, matala meri. Tämä meri oli koti stromatoliiteille ja pohjaeläimille, joiden jäljet pohjaan jäävässä sedimentissä myöhemmin fossiilistuivat. Montanan silloiseen elämään kuului niveljalkaisia, sinileviä, kartiokasveja, sieniä ja matoja. Niiden fossiileja säilyi alueella, joka tunnetaan nykyään Glacierin kansallispuistona. Madot jättivät jäljelle fossiileja, kuten kolotäytteitä ja jälkiä sedimentin läpi. Sitä seuranneen kambrikauden aikana osavaltio oli vielä suurelta osin meriveden peitossa. Montanan kambrikauden meri oli levien, selkärangattomien ja jopa joidenkin ensimmäisten tunnettujen selkärankaisten koti. Myöhemmin kambrikauden trilobiitit jättivät jäänteitä Nixon Gulchiin, Manhattanin pohjoispuolella sijaitseviin Horseshoe Hillsin kukkuloihin, Augustan länsipuolella sijaitseviin Sawtooth-Lewis and Clark -vuoristoihin ja Bozemanin pohjoispuolella sijaitsevaan Bridger Rangeen. Meri vetäytyi lopulta osavaltiosta, ja suurin osa Montanan siluuri- ja varhaisdevonikautisista sedimenteistä hävisi eroosiolle. Myöhäisdevonikauden aikana meri tulvi jälleen lähes koko osavaltion alueelle. Montanan myöhäisdevonilaisessa meressä asui brachiopodeja, conodontteja, crinoideja, kaloja, nilviäisiä ja sieniä. Meret peittivät osavaltiota vielä hiilikaudella. Tuolloin osavaltiossa asui hämmentävä joukko rustokaloja. Paleotsooisella kaudella Mississippi-kauden brachiopodit, bryozoat ja korallit jättivät fossiileja Bridger Range -vuoristoon ja Big Timberin eteläpuolella sijaitsevalle Shell Mountainille. Myöhemmin hiilikaudella, Pennsylvanian-kaudella, meri alkoi vetäytyä. Geologinen maankohoaminen nosti osavaltion pohjois- ja luoteisosien korkeutta. Montana oli jälleen meren peitossa lyhyen ajanjakson ajan permikaudella.
Triaskauden alkupuolella Montana sijaitsi noin kolmenkymmenen leveysasteen verran päiväntasaajasta pohjoiseen. Meri palasi kahdesti peittämään merkittäviä alueita Montanasta seuraavan triaskauden aikana. Osavaltion ainoat tunnetut nykyiset fossiilit ovat tämän meren asukkaiden jäänteitä. Maalla Montana oli kuuma ja kuiva. Montanan lounaisinta nurkkaa peitti tuolloin pieni osa matalasta merestä, joka peitti Pohjois-Amerikan länsirannikon ja ulottui Pohjois-Kanadaan. Montanan eteläinen keskiosa oli sitä vastoin purojen jakama aavikko. Näiden alueiden ulkopuolella tiedetään vain vähän, koska sedimentit pikemminkin rapautuivat kuin kerrostuivat. Jurakauden aikana meri palasi peittämään osavaltion. Meri täyttyi vähitellen sedimenteillä, jotka kulkeutuivat pois osavaltion länsiosan korkeammilta alueilta. Myöhäisjurakauden aikana suurin osa Montanasta oli meriveden peitossa, joka oli samanlainen kuin se, joka peitti lounaiskulman triaskauden aikana. Ironista kyllä, tässä vaiheessa osavaltion lounaisosassa oli saari. Tämä meri olisi ollut pääjalkaisten, krinoidien, iktyosaurusten ja pelecypodien koti. Montana sijaitsi tuolloin noin 40 leveysasteella. Osavaltion kasvisto koostui havupuista, sykadeista, saniaisista ja ginkgoista. Montanan meren eteläpuolella oli rannikkotasanko, jota halkoivat itäpuolella sijaitsevilta korkeammilta alueilta länteen virtaavat purot. Tällä rannikkotasangolla asui dinosauruksia, kuten ornithopodi Camptosaurus, sauropodit Apatosaurus ja Diplodocus sekä theropodi Allosaurus. Näistä sedimenteistä kerrostui se, mitä nykyään kutsutaan Morrisonin muodostumaksi.
Morrisonin muodostuman kerrostumisen jälkeen kolmekymmentä miljoonaa vuotta Montanan sedimentit pikemminkin rapautuivat kuin kerrostuivat. Montanassa oli edelleen merivettä, joka nyt ulottui napapiiriltä alaspäin ulottuvana merenlahdena. Joet virtasivat edelleen paikalliseen mereen, mutta paikallinen dinosaurusfauna oli hyvin erilainen. Täällä eläviin lihansyöjiin kuuluivat Deinonychus ja Microvenator. Kasvinsyöjiin kuuluivat Sauropelta ja Tenontosaurus. Samoihin aikoihin kukkivat kasvit ilmestyivät ensimmäistä kertaa osavaltioon. Liitukauden keskivaiheilla Montanaa peitti osittain läntinen sisäinen meriväylä. Läntisen sisäisen meriväylän aikana Montanassa tapahtui merkittäviä tulivuorenpurkauksia. Tämä meri oli pääjalkaisten, simpukoiden ja plesiosaurusten koti. Tämän meren kerrostamat sedimentit muodostavat sen, mitä nykyään kutsutaan Colorado-ryhmäksi. Colorado-ryhmässä ei tiedetä säilyneen dinosaurusfossiileja Montanassa, mutta osavaltion ulkopuolella on tehty satunnaisia löytöjä. Lounais-Montana oli kuivaa maata, mutta yhdestäkään näistä kerrostumista ei ole vielä löytynyt dinosaurusfossiileja. 85 miljoonaa vuotta sitten läntinen sisäinen meriväylä vetäytyi hieman ja jätti Länsi-Montanan rannikkotasangoksi. Dinosaurukset olivat läsnä, mutta jättivät harvoin fossiilisia jäännöksiä. Meressä asui eläimiä, kuten pääjalkaisia, niveljalkaisia, mosasauruksia, pelecypodeja ja plesiosauruksia.
Viimeisen liitukauden myöhäisvaiheen Campan-vaiheen aikana läntistä sisäistä meriväylää reunustava rannikkotasanko oli jokien reunustama, ja siellä oli muutamia järviä. Nämä vesistöt kerrostivat sedimenttejä, joista myöhemmin muodostui Two Medicine -muodostuma. Läheiset tulivuoret purkautuivat ja kerrostivat tuhkaa, josta myöhemmin tuli bentoniittia. Ilmasto oli puolikuiva. Rannikkotasangon kasvistoon kuului havumetsiä, lehtipuita ja saniaisia. Monipuolinen joukko dinosauruksia eli Montanassa tähän aikaan. Ankkalahkeiset hadrosaurukset olivat yleisiä Montanan kampanjakauden rannikkotasankojen asukkaita. Maiasaura on yksi esimerkki. Montanassa on erityisen hyvät fossiilitiedot ceratopsid-dinosauruksista. Esimerkkejä nykyisistä paikallisista ceratopsioista ovat Einiosaurus. Myös theropodit Daspletosaurus ja Troodon olivat läsnä. Sekä Maiasauran että Troodonin tiedetään muodostaneen alueella pesimäkolonioita. Myöhäisliitukauden fossiiliset dinosaurusten jalanjäljet ovat yllättävän harvinaisia Montanassa verrattuna muihin läntisiin osavaltioihin, joissa on nykyaikaisia esiintymiä. Tämä saattaa johtua siitä, että paikalliset muinaisympäristöt eivät sovellu hyvin jälkien säilymiseen, tai pelkästään siitä, että tutkijat eivät ole vielä etsineet oikeista paikoista.
Maastrichtian alkupuolella läntinen sisävesimeri laajensi jonkin verran rajojaan. Se oli pääjalkaisten, simpukoiden, äyriäisten, kalojen, gastropodien, mosasaurusten ja plesiosaurusten koti. Myöhemmin Maastrichti-vaiheessa Elkhornin alueella jatkui edelleen tulivuoritoiminta, ja läntinen sisäinen meriväylä alkoi vetäytyä. Tämä taantuminen johti lopulta Pohjois-Amerikan molempien puolikkaiden yhdistymiseen. Meriväylän vetäytyessä Kalliovuoristoa lähinnä olevasta alueesta tuli laajeneva aavikko. Itäinen Montana sen sijaan oli kuuma ja kostea, sillä myös rannikkotasanko laajeni meren taantumisen seurauksena. Maastrichti-vaiheen loppupuolella osavaltion itäosan halki virtasivat suuret joet, jotka kerrostivat sedimenttejä, joista aikanaan muodostui Hell Creek -muodostuma. Tuohon aikaan Montana oli koti eräille kuuluisimmista dinosauruksista; olentoja olivat muun muassa Edmontosaurus, Pachycephalosaurus, Triceratops ja Tyrannosaurus.
Kenaozooisen kauden alkupuolella meri alkoi vetäytyä Montanasta viimeisen kerran. Äärimmäinen tektoninen toiminta auttoi muodostamaan paikallisia vuoria ja nosti suurta osaa osavaltion korkeudesta. Paikalliset sademäärät nousivat ja laskivat. Montanassa asui koirien ja titanotherien kaltaisia olentoja. Osavaltion lounaisosan tertiääriset kerrostumat ovat yksi Pohjois-Amerikan parhaista kasvi- ja hyönteisfossiilien lähteistä. Näistä esiintymistä tunnetaan yli kaksisataa kasvi-, hyönteis- ja kalalajia. Kasvistoon kuuluivat muun muassa vesililjat ja lootukset. Tertiäärikauden aikana Montanassa oli soita, jotka myöhemmin jättivät jälkeensä hiiltä. Selkärangattomien eläimistö koostui muurahaisista, mehiläisistä, kovakuoriaisista, korvayökköistä, kurkkukärpäsistä, kurkikärpäsistä, neitokärpäsistä, lyhtykärpäsistä, muurahaiskärpäsistä, heinäsirkoista, lehtisirkoista, hyttysistä, etanoista ja ampiaisista. Nykyaikaisiin selkärankaisten fossiileihin kuului höyheniä ja silloin tällöin lintu. Montanan oligoseenikasvillisuuteen kuuluivat ailanthus, saarni, pyökki, kissankäpälä, setri, cinquefoil, koiranheinä, jalava, saniaiset, milfoil fernbush, karviainen, kiipeilevät viinirypäleet, ruohot, viherpihlajat, hevoskasvit, rautapuu, katsurapuu, maksaruoho, vuorimahonki, vaahtera, väärä merenneito, sammalet, tammi, kynäjalava, lammikkovirmajuuri, aamupunapuu, ruusut, ruohosara, sara, savupuu, lumimarja, spiraea, väärä mansikka ja virnat. Samankaltaiset florat tunnetaan Coloradon ja Oregonin Florissantista. Montanan mioseeniset kasvit ja nilviäiset jättivät jäänteitä Bear Butteen, Melvillen luoteispuolella Sweet Grassin piirikunnan Fort Union Bedsissä. Fort Unionin kerrostumissa säilyneisiin mioenin nisäkkäisiin kuuluivat arctocyonidit, hyönteissyöjät, multituberculat, pantodontit, kädelliset, taeniodontit. Mioseenin aikana Montanassa asui myös kameleita ja hevosia. Myöhemmin kainotsooisella kaudella Montana muuttui kylmemmäksi ja kosteammaksi. Jäätiköityminen pyyhkäisi osavaltiota. Tänä aikana mammutit, myskihärät ja hirmusudet elivät osavaltion alueilla, joita jäätiköt eivät peittäneet.