Les archives fossiles du Montana remontent jusqu’au Précambrien. Au cours du Précambrien supérieur, l’ouest du Montana était recouvert d’une mer chaude et peu profonde. Cette mer abritait des stromatolites et des organismes marins vivant sur le fond, dont les traces sur les sédiments benthiques se fossiliseront plus tard. La vie montagnarde de l’époque comprenait des arthropodes, des algues bleu-vert, des conulariens, des champignons et des vers. Leurs fossiles ont été préservés dans ce que l’on appelle aujourd’hui le parc national des Glaciers. Les vers ont laissé des traces fossiles, comme des terriers remplis et des traces dans les sédiments. Au cours de la période cambrienne qui a suivi, l’État était encore largement recouvert d’eau de mer. La mer cambrienne du Montana abritait des algues, des invertébrés et même certains des premiers vertébrés connus. Plus tard, les trilobites cambriens ont laissé des restes dans Nixon Gulch, Horseshoe Hills au nord de Manhattan, les chaînes Sawtooth-Lewis and Clark à l’ouest d’Augusta, et la chaîne Bridger au nord de Bozeman. La mer s’est finalement retirée de l’État et la plupart des sédiments du Silurien et du Dévonien précoce du Montana ont été perdus par l’érosion. Au cours du Dévonien tardif, la quasi-totalité de l’État a de nouveau été inondée par la mer. La mer du Dévonien tardif du Montana abritait des brachiopodes, des conodontes, des crinoïdes, des poissons, des mollusques et des éponges. Les mers ont continué à recouvrir l’État jusqu’à la période du Carbonifère. À cette époque, l’État abritait un éventail ahurissant de poissons cartilagineux. Plus loin dans le Paléozoïque, les brachiopodes, bryozoaires et coraux du Mississippien ont laissé des fossiles dans la chaîne Bridger et à Shell Mountain, au sud de Big Timber. Plus tard au Carbonifère, à l’époque du Pennsylvanien, la mer a commencé à se retirer. Le soulèvement géologique élevait l’altitude des régions du nord et du nord-ouest de l’État. Le Montana fut à nouveau recouvert par la mer pendant un court intervalle de la période permienne.
Au début du Trias, le Montana était situé à environ trente degrés de latitude au nord de l’équateur. La mer est revenue deux fois pour recouvrir des zones importantes du Montana au cours de la période triasique qui a suivi. Les seuls fossiles contemporains connus de l’État sont les restes des habitants de cette mer. Sur terre, le Montana était chaud et sec. À l’époque, l’extrême sud-ouest du Montana était couvert par une petite extension de la mer peu profonde qui recouvrait la côte ouest de l’Amérique du Nord et s’étendait jusqu’au nord du Canada. Le centre sud du Montana, en revanche, était un désert divisé par des cours d’eau. En dehors de ces régions, on sait peu de choses car les sédiments étaient érodés plutôt que déposés. Au cours du Jurassique, la mer est revenue recouvrir l’État. La mer a été progressivement remplie par des sédiments érodés à partir de zones d’altitude plus élevée dans la région occidentale de l’État. Au Jurassique supérieur, la majeure partie du Montana était recouverte d’eau de mer, semblable à celle qui recouvrait le sud-ouest de l’État au Trias. Ironiquement, à cette époque, la région sud-ouest de l’État contenait une île. Cette mer aurait abrité des céphalopodes, des crinoïdes, des ichtyosaures et des pélécypodes. À l’époque, le Montana était situé à environ 40 degrés de latitude. La flore de l’État était composée de conifères, de cycades, de fougères et de ginkgos. Au sud de la mer du Montana se trouvait une plaine côtière divisée par des cours d’eau s’écoulant vers l’ouest depuis des zones de plus haute altitude à l’est. Cette plaine côtière abritait des dinosaures, dont l’ornithopode Camptosaurus, les sauropodes Apatosaurus et Diplodocus, et le théropode Allosaurus. Ces sédiments ont déposé ce que l’on appelle aujourd’hui la formation Morrison.
Pendant trente millions d’années après le dépôt de la formation Morrison, les sédiments du Montana étaient érodés plutôt que déposés. L’eau de mer était encore présente dans le Montana, qui s’étendait maintenant comme une baie en bas du cercle arctique. Les rivières se jetaient toujours dans la mer locale, mais la faune locale de dinosaures était très différente. Les carnivores vivant ici comprenaient le Deinonychus et le Microvenator. Les herbivores comprenaient le Sauropelta et le Tenontosaurus. C’est à cette époque que les plantes à fleurs font leur première apparition dans l’État. Au milieu du Crétacé, le Montana était partiellement recouvert par la Voie maritime intérieure occidentale. D’importantes éruptions volcaniques se sont produites dans le Montana à l’époque de la Voie maritime intérieure occidentale. Cette mer abritait des céphalopodes, des palourdes et des plésiosaures. Les sédiments déposés par cette mer composent ce qu’on appelle aujourd’hui le groupe du Colorado. Aucun fossile de dinosaure n’a été préservé dans le groupe du Colorado au Montana, mais des découvertes occasionnelles ont été faites en dehors de l’État. Le sud-ouest du Montana était une terre sèche, mais aucun de ces dépôts n’a encore livré de fossiles de dinosaures. Il y a 85 millions d’années, la voie maritime intérieure occidentale s’est légèrement retirée, laissant l’ouest du Montana sous forme de plaine côtière. Les dinosaures étaient présents mais ont rarement laissé des restes fossilisés. La mer abritait des animaux comme les céphalopodes, les gastéropodes, les mosasaures, les pélécypodes et les plésiosaures.
Pendant le stade Campanien du Crétacé supérieur, la plaine côtière bordant la Voie maritime intérieure occidentale était bordée de rivières et parsemée de quelques lacs. Ces masses d’eau ont déposé les sédiments qui sont devenus plus tard la formation de Two Medicine. Les volcans voisins étaient en éruption, déposant des cendres qui deviendront plus tard de la bentonite. Le climat était semi-aride. La flore de la plaine côtière comprenait des forêts de conifères, des arbres à feuilles caduques et des fougères. Une grande variété de dinosaures vivait dans le Montana à cette époque. Les hadrosaures à bec de canard étaient des habitants courants des plaines côtières campaniennes du Montana. Le Maiasaura en est un exemple. Le Montana possède des fossiles de dinosaures cératopsides particulièrement bien conservés. L’Einiosaurus est un exemple de cératopsiens locaux contemporains. Les théropodes Daspletosaurus et Troodon étaient également présents. On sait que le Maiasaura et le Troodon ont tous deux formé des colonies de nidification dans la région. Les empreintes de dinosaures fossiles du Crétacé supérieur sont étonnamment rares dans le Montana par rapport à d’autres États occidentaux qui possèdent des gisements contemporains. Cela pourrait être dû au fait que les anciens environnements locaux ne sont pas bien adaptés à la préservation des traces ou simplement parce que les scientifiques n’ont pas encore cherché aux bons endroits.
Au début du Maastrichtien, la voie maritime intérieure occidentale a quelque peu étendu ses limites. Elle abritait des céphalopodes, des palourdes, des crustacés, des poissons, des gastéropodes, des mosasaures et des plésiosaures. Plus tard au cours du Maastrichtien, l’activité volcanique se poursuit dans la région de l’Elkhorn et la Voie maritime intérieure occidentale commence à se retirer. Cette régression allait finir par entraîner la réunification des deux moitiés de l’Amérique du Nord. Au fur et à mesure que la voie maritime se retirait, la zone la plus proche des Montagnes Rocheuses devenait un désert en expansion. En revanche, l’est du Montana était chaud et humide, car la plaine côtière s’étendait également en raison de la régression marine. À la fin du Maastrichtien, de grandes rivières traversaient la partie orientale de l’État, déposant les sédiments qui deviendraient un jour la formation de Hell Creek. À cette époque, le Montana abritait certains des dinosaures les plus célèbres ; des créatures comme l’Edmontosaurus, le Pachycéphalosaurus, le Triceratops et le Tyrannosaurus.
Au début de l’ère cénozoïque, la mer a commencé à se retirer du Montana pour la dernière fois. Une activité tectonique extrême a contribué à former des montagnes locales et à élever une grande partie de l’altitude de l’État. Les niveaux locaux de précipitations ont augmenté et diminué. Le Montana abritait des créatures comme les chiens et les titanothères. Les dépôts tertiaires du sud-ouest de l’État sont l’une des meilleures sources de fossiles de plantes et d’insectes en Amérique du Nord. Plus de deux cents espèces de plantes, d’insectes et de poissons sont connues dans ces dépôts. La flore comprenait des nénuphars et des lotus. Au cours du Tertiaire, le Montana abritait des marécages qui laisseraient plus tard du charbon derrière eux. La faune invertébrée se composait de fourmis, d’abeilles, de coléoptères, de perce-oreilles, de phryganes, de mouches-grues, de demoiselles, de mouches-lanternes, d’éphémères, de sauterelles, de cicadelles, de moustiques, d’escargots et de guêpes. Les fossiles de vertébrés contemporains comprenaient des plumes et, de temps en temps, un oiseau. Parmi la flore de l’Oligocène du Montana, on trouve l’ailanthus, le frêne, le hêtre, les quenouilles, le cèdre, le cinquefoil, le cornouiller, l’orme, les fougères, le myriophylle, le groseillier à maquereau, le raisin grimpant, les graminées, les ronces, les prêles, le bois de fer, le katsura, l’hépatique, l’acajou des montagnes, l’érable, la fausse sirène, les mousses, le chêne, le cresson, le potamot, le séquoia, les roses, les carex, l’arbre à fumée, la symphorine, la spirée, le faux fraisier et les vesces. Des flores similaires sont connues dans le Florissant du Colorado et de l’Oregon. Les plantes et les mollusques du Miocène du Montana ont laissé des vestiges à Bear Butte, au nord-ouest de Melville, dans les Fort Union Beds du comté de Sweet Grass. Les mammifères miocènes préservés dans les lits de Fort Union comprenaient des arctocyonidés, des insectivores, des multituberculés, des pantodontes, des primates, des taeniodontes. Au Miocène, le Montana abritait également des chameaux et des chevaux. Plus tard, au cours du Cénozoïque, le Montana est devenu plus froid et plus humide. L’activité glaciaire a balayé l’état. À cette époque, les mammouths, les bœufs musqués et les loups terribles vivaient dans les régions de l’État qui n’étaient pas couvertes par les glaciers.