A montanai fosszilis feljegyzések egészen a prekambriumig nyúlnak vissza. A késő prekambrium idején Montana nyugati részét egy meleg, sekély tenger borította. Ez a tenger adott otthont a sztromatolitoknak és a fenéken élő tengeri élőlényeknek, amelyek nyomai a benti üledéken később megkövesedtek. A korabeli montanai élethez tartoztak ízeltlábúak, kék-zöld algák, kagylók, gombák és férgek. Az ő fosszíliáik a mai Glacier Nemzeti Park területén maradtak fenn. A férgek olyan nyomkövületeket hagytak maguk után, mint az üledékben található üregkitöltések és nyomok. Az ezt követő kambriumban az államot még nagyrészt tengervíz borította. Montana kambriumi tengere algáknak, gerinctelen állatoknak, sőt az első ismert gerincesek némelyikének is otthont adott. Később kambriumi trilobiták hagytak hátra maradványokat a Nixon Gulchban, a Manhattantől északra fekvő Horseshoe Hillsben, az Augusta-tól nyugatra fekvő Sawtooth-Lewis és Clark-hegységben és a Bozemantől északra fekvő Bridger Range-ben. A tenger végül kivonult az államból, és Montana szilur és kora devon üledékeinek nagy része elveszett az erózió következtében. A késő-devon során szinte az egész államot ismét elöntötte a tenger. Montana késő-devon tengerében brachiopodák, conodonták, crinoidák, halak, puhatestűek és szivacsok éltek. A tengerek az államot a karbon időszakban is elborították. Ebben az időben az államban a porcos halak zavarba ejtő sokasága élt. A paleozoikumban a Mississippi kori brachiopodák, bryozoák és korallok hagytak maguk után kövületeket a Bridger Range-ben és a Big Timbertől délre fekvő Shell Mountainben. Később a karbonban, a pennsylvaniai korszakban a tenger visszahúzódni kezdett. A geológiai kiemelkedés megemelte az állam északi és északnyugati területeinek magasságát. Montanát a perm időszak egy rövid időre ismét tenger borította.
A korai triász idején Montana az egyenlítőtől mintegy harminc szélességi fokon északra feküdt. A tenger kétszer is visszatért, hogy az ezt követő triász időszakban Montana jelentős területeit borítsa. Az állam egyetlen ismert korabeli fosszíliái e tenger lakóinak maradványai. A szárazföldön Montana forró és száraz volt. Abban az időben Montana legdélebbi, délnyugati sarkát annak a sekély tengernek egy kis kiterjedése borította, amely Észak-Amerika nyugati partvidékét borította, és Észak-Kanadába nyúlt. Montana dél-középső része ezzel szemben egy patakokkal tagolt sivatag volt. Ezeken a területeken kívül keveset tudunk, mivel az üledékek inkább erodálódtak, mintsem lerakódtak. A jura idején a tenger visszatért, és újra elborította az államot. A tengert fokozatosan feltöltötték az állam nyugati részén lévő, magasabban fekvő területekről kimosódott üledékek. A késő jura idején Montana nagy részét tengervíz borította, hasonlóan ahhoz, amely a triász idején a délnyugati sarkot borította. Ironikus módon az állam délnyugati része ekkoriban egy szigetet tartalmazott. Ez a tenger adhatott otthont a fejlábúaknak, a crinoidáknak, az ichtioszauruszoknak és a pelecypodáknak. Abban az időben Montana körülbelül a 40. szélességi fokon feküdt. Az állam növényvilágát tűlevelűek, cikádok, páfrányok és ginkgók alkották. Montana tengerétől délre egy tengerparti síkság volt, amelyet a keletre fekvő magasabban fekvő területekről nyugatra áramló patakok osztottak fel. Ez a tengerparti síkság adott otthont a dinoszauruszoknak, köztük a Camptosaurus ornithopodának, az Apatosaurus és a Diplodocus szauropodáknak, valamint az Allosaurus theropodának. Ezek az üledékek lerakták azt, amit ma Morrison-formációként ismerünk.
A Morrison-formáció lerakódását követően harmincmillió éven át a montanai üledékek inkább erodálódtak, mint lerakódtak. Montanában még mindig jelen volt a tengervíz, amely most öblözetként húzódott lefelé az északi sarkkörtől. A folyók még mindig a helyi tengerbe folytak, de a helyi dinoszauruszfauna nagyon megváltozott. Az itt élő húsevők közé tartozott a Deinonychus és a Microvenator. A növényevők közé tartozott a Sauropelta és a Tenontosaurus. Ez idő tájt jelentek meg először a virágos növények az államban. A kréta középső szakaszában Montanát részben a nyugati belső tengerszoros borította. A nyugati belső tengerút idején Montanában jelentős vulkánkitörések történtek. Ez a tenger volt a fejlábúak, kagylók és plesiosaurusok otthona. Az e tenger által lerakódott üledékek alkotják a mai Colorado csoportot. A Colorado csoportban Montanában nem maradtak fenn dinoszaurusz fosszíliák, de az államon kívül alkalmanként felfedezésekre került sor. Montana délnyugati része szárazföld volt, de ezekből a lerakódásokból még nem kerültek elő dinoszauruszfosszíliák. 85 millió évvel ezelőtt a Nyugati Belső-tengerszoros kissé visszahúzódott, és Montana nyugati részét part menti síkságként hagyta meg. A dinoszauruszok jelen voltak, de ritkán hagytak maguk után megkövesedett maradványokat. A tenger olyan állatoknak adott otthont, mint a fejlábúak, csigák, moszaszauruszok, pelecypodák és plesiosauruszok.
A késő kréta Campanian szakaszában a Western Interior Seawayt határoló parti síkságot folyók szegélyezték, és néhány tó tarkította. Ezek a víztestek lerakták azokat az üledékeket, amelyek később a Two Medicine Formációvá váltak. A közeli vulkánok kitörtek, és hamut rakodtak le, amelyből később bentonit lett. Az éghajlat félszáraz volt. A parti síkság növényvilága tűlevelű erdőkből, lombhullató fákból és páfrányokból állt. Ebben az időben sokféle dinoszaurusz élt Montanában. A kacsacsőrű hadroszauruszok gyakori lakói voltak Montana Campanian parti síkságának. A Maiasaura az egyik példa erre. Montana különösen jó kövületekkel rendelkezik a ceratopsida dinoszauruszokról. A korabeli helyi ceratopsziák közé tartozik például az Einiosaurus. A theropodák, a Daspletosaurus és a Troodon szintén jelen voltak. Mind a Maiasaura, mind a Troodon ismert, hogy fészkelő kolóniákat alakítottak ki a területen. A késő kréta kori fosszilis dinoszauruszlábnyomok meglepően ritkák Montanában, összehasonlítva más nyugati államok korabeli lelőhelyeivel. Ennek oka lehet, hogy a helyi ősi környezet nem volt alkalmas a nyomok megőrzésére, vagy csupán az, hogy a tudósok még nem keresték a megfelelő helyeken.
A maastrichtián korán a nyugati belső tengerszoros némileg kitágította határait. Fejlábúak, kagylók, rákok, rákfélék, halak, csigák, moszaszauruszok és plesiosauruszok éltek benne. A maastrichti szakasz későbbi szakaszában az Elkhorn régióban még mindig vulkáni tevékenység folyt, és a Nyugati Belső Tengerút kezdett visszahúzódni. Ez a visszahúzódás végül Észak-Amerika két felének újraegyesítését eredményezte. A tengerszoros visszahúzódásával a Sziklás-hegységhez legközelebb eső terület egyre nagyobb sivataggá vált. Montana keleti része ezzel szemben forró és párás volt, mivel a parti síkság is terjeszkedett a tengeri visszahúzódás következtében. A késő maastrichti szakaszra nagy folyók folytak át az állam keleti részén, lerakva azokat az üledékeket, amelyekből egy napon a Hell Creek Formáció alakult ki. Ebben az időben Montana adott otthont a leghíresebb dinoszauruszoknak; olyan élőlényeknek, mint az Edmontosaurus, a Pachycephalosaurus, a Triceratops és a Tyrannosaurus.
A korai kainozoikum idején a tenger utoljára kezdett visszahúzódni Montanából. A szélsőséges tektonikus tevékenység hozzájárult a helyi hegységek kialakulásához, és megemelte az állam magaslatainak nagy részét. A helyi csapadékszintek emelkedtek és csökkentek. Montana olyan élőlényeknek adott otthont, mint a kutyák és a titánok. Az állam délnyugati részének harmadidőszaki lerakódásai a növény- és rovarfosszíliák egyik legjobb forrásai Észak-Amerikában. Több mint kétszáz növény-, rovar- és halfaj ismert ezekből a lerakódásokból. A növényvilághoz tartoztak a tavirózsák és a lótuszok. A harmadidőszakban Montana mocsaraknak adott otthont, amelyek később szenet hagytak maguk után. A gerinctelen fauna hangyákból, méhekből, bogarakból, fülbemászókból, sáskákból, darázslegyekből, dámlegyekből, lámpáslegyekből, májusi legyekből, szöcskékből, levéltetvekből, szúnyogokból, csigákból és darazsakból állt. A korabeli gerinces fosszíliák közé tartoztak a tollak és néha-néha egy-egy madár is. Montana oligocén flórája közé tartozott az ailanthus, a kőris, a bükk, a cickafark, a cédrus, a cinege, a kutyabenge, a szil, a páfrányok, a páfrányfenyő, az egres, a kúszó szőlő, a fűfélék, a zöldike, a zsurló, vasfa, katsurafa, májvirág, hegyi mahagóni, juhar, hamis hableány, mohák, tölgy, tollfű, tófű, hajnali vörösfenyő, rózsa, sás, füstfa, hófű, hóvirág, spiraea, hamis szamóca és bükköny. Hasonló flórák ismertek a coloradói és oregoni Florissantból. A montanai miocén növények és puhatestűek a Melville-től északnyugatra fekvő Bear Butte-nál, a Sweet Grass megyei Fort Union Bedsben hagytak hátra maradványokat. A Fort Union ágyakban fennmaradt miocén emlősök között voltak arctocyonidák, rovarevők, multituberculaták, pantodonták, főemlősök, taeniodonták. A miocén idején Montana tevéknek és lovaknak is otthont adott. A kainozoikum későbbi szakaszában Montana hidegebbé és nedvesebbé vált. A jégkorszaki tevékenység átfésülte az államot. Ebben az időben az állam gleccserek által nem borított területein mamutok, pézsmatulok és szörnyű farkasok éltek.