La documentazione fossile nel Montana risale al Precambriano. Durante il tardo Precambriano, il Montana occidentale era coperto da un mare caldo e poco profondo. Questo mare ospitava stromatoliti e vita marina che viveva sul fondo, le cui tracce sul sedimento bentonico si sarebbero poi fossilizzate. La vita montana dell’epoca includeva artropodi, alghe blu-verdi, conulari, funghi e vermi. I loro fossili sono stati conservati in quello che oggi è conosciuto come Glacier National Park. I vermi hanno lasciato tracce fossili come riempimenti di tane e tracce attraverso il sedimento. Durante il successivo periodo Cambriano lo stato era ancora in gran parte coperto da acqua marina. Il mare cambriano del Montana ospitava alghe, invertebrati e persino alcuni dei primi vertebrati conosciuti. Più tardi, i trilobiti del Cambriano lasciarono dei resti nel Nixon Gulch, nelle Horseshoe Hills a nord di Manhattan, nella catena Sawtooth-Lewis and Clark a ovest di Augusta e nella Bridger Range a nord di Bozeman. Il mare alla fine si ritirò dallo stato e la maggior parte dei sedimenti siluriani e del primo devoniano del Montana furono persi per l’erosione. Durante il tardo Devoniano quasi tutto lo stato fu nuovamente inondato dal mare. Il mare tardo devoniano del Montana ospitava brachiopodi, conodonti, crinoidi, pesci, molluschi e spugne. I mari continuarono a coprire lo stato nel periodo Carbonifero. A quel tempo, lo stato ospitava una serie sconcertante di pesci cartilaginei. Più avanti nel Paleozoico, i brachiopodi, i briozoi e i coralli del Mississippi hanno lasciato fossili nella Bridger Range e a Shell Mountain a sud di Big Timber. Più tardi nel Carbonifero, durante l’epoca Pennsylvaniana, il mare cominciò a ritirarsi. Il sollevamento geologico stava aumentando l’elevazione delle regioni settentrionali e nord-occidentali dello stato. Il Montana fu di nuovo coperto dal mare per un breve intervallo del periodo Permiano.
Durante il primo Triassico, il Montana era situato a circa trenta gradi di latitudine a nord dell’equatore. Il mare tornò due volte a coprire aree significative del Montana durante il successivo periodo Triassico. Gli unici fossili contemporanei conosciuti dello stato sono i resti degli abitanti di questo mare. Sulla terraferma il Montana era caldo e secco. A quel tempo, l’estremo angolo sud-occidentale del Montana era coperto da una piccola estensione del mare poco profondo che copriva la costa occidentale del Nord America e si estendeva nel Canada settentrionale. Il Montana centro-meridionale, al contrario, era un deserto diviso da torrenti. Al di fuori di queste regioni si sa poco perché i sedimenti venivano erosi piuttosto che depositati. Durante il Giurassico, il mare tornò a coprire lo stato. Il mare fu gradualmente riempito da sedimenti erosi dalle aree di maggiore elevazione nella regione occidentale dello stato. Durante il tardo Giurassico, la maggior parte del Montana era coperta da acqua marina, simile a quella che copriva l’angolo sud-occidentale durante il Triassico. Ironicamente, in questo periodo l’area sud-occidentale dello stato conteneva un’isola. Questo mare avrebbe ospitato cefalopodi, crinoidi, ittiosauri e pelecipodi. All’epoca, il Montana si trovava a circa 40 gradi di latitudine. La flora dello stato consisteva di conifere, cicadi, felci e ginkgo. A sud del mare del Montana c’era una pianura costiera divisa da torrenti che scorrevano verso ovest da aree di alta quota a est. Questa pianura costiera ospitava dinosauri tra cui l’ornitopode Camptosaurus, i sauropodi Apatosaurus e Diplodocus, e il teropode Allosaurus. Questi sedimenti depositarono quella che oggi è conosciuta come la Formazione Morrison.
Per trenta milioni di anni dopo la deposizione della Formazione Morrison i sedimenti nel Montana furono erosi piuttosto che depositati. L’acqua di mare era ancora presente nel Montana, che ora si estendeva come un’insenatura giù dal Circolo Polare Artico. I fiumi sfociavano ancora nel mare locale, ma la fauna locale dei dinosauri era molto diversa. I carnivori che vivevano qui includevano Deinonychus e Microvenator. Gli erbivori includevano Sauropelta e Tenontosaurus. Intorno a questo periodo le piante da fiore avrebbero fatto la loro prima apparizione nello stato. Durante la parte centrale del Cretaceo il Montana era parzialmente coperto dal mare interno occidentale. Significative eruzioni vulcaniche si sono verificate nel Montana durante il periodo della Western Interior Seaway. Questo mare ospitava cefalopodi, vongole e plesiosauri. I sedimenti depositati da questo mare compongono quello che ora è chiamato Gruppo Colorado. Nessun fossile di dinosauro è noto per essere stato conservato nel gruppo Colorado nel Montana, ma fuori dallo stato sono state fatte scoperte occasionali. Il Montana sud-occidentale era terraferma, ma nessuno di quei depositi ha ancora prodotto fossili di dinosauro. 85 milioni di anni fa il mare interno occidentale si ritirò leggermente lasciando il Montana occidentale come una pianura costiera. I dinosauri erano presenti ma raramente hanno lasciato resti fossili. Il mare ospitava animali come cefalopodi, gasteropodi, mosasauri, pelecipodi e plesiosauri.
Durante la fase Campaniana del tardo Cretaceo la pianura costiera che confinava con la Western Interior Seaway era fiancheggiata da fiumi e costellata da alcuni laghi. Questi corpi d’acqua depositarono i sedimenti che più tardi divennero la Two Medicine Formation. I vulcani vicini eruttavano, depositando cenere che sarebbe poi diventata bentonite. Il clima era semiarido. La flora della pianura costiera includeva foreste di conifere, alberi decidui e felci. Una vasta gamma di dinosauri viveva nel Montana in questo periodo. Gli adrosauri dal becco d’anatra erano abitanti comuni delle pianure costiere campane del Montana. Maiasaura è un esempio. Il Montana ha un record fossile particolarmente buono di dinosauri ceratopsidi. Esempi di ceratopsi contemporanei locali includono Einiosaurus. I teropodi Daspletosaurus e Troodon erano anche presenti. Sia Maiasaura che Troodon sono noti per aver formato colonie di nidificazione nella zona. Le impronte fossili di dinosauro del tardo Cretaceo sono sorprendentemente rare nel Montana rispetto ad altri stati occidentali con depositi contemporanei. Questo potrebbe essere dovuto al fatto che gli ambienti antichi locali non sono adatti alla conservazione delle impronte o semplicemente perché gli scienziati non hanno ancora cercato nei posti giusti.
All’inizio del Maastrichtiano il mare interno occidentale ha allargato un po’ i suoi confini. Era la casa di cefalopodi, vongole, crostacei, pesci, gasteropodi, mosasauri e plesiosauri. Più tardi nella fase Maastrichtiana, l’attività vulcanica era ancora in corso nella regione di Elkhorn e la via marittima interna occidentale cominciò a ritirarsi. Questa regressione avrebbe finito per portare alla riunificazione di entrambe le metà del Nord America. Mentre la via marittima si ritirava, l’area più vicina alle Montagne Rocciose divenne un deserto in espansione. Il Montana orientale era caldo e umido, al contrario, poiché anche la pianura costiera si stava espandendo come risultato della regressione marina. Nel tardo Maastrichtiano grandi fiumi scorrevano attraverso la parte orientale dello stato, depositando i sedimenti che un giorno sarebbero diventati la Formazione Hell Creek. A quel tempo, il Montana ospitava alcuni dei dinosauri più famosi; creature come Edmontosaurus, Pachycephalosaurus, Triceratops e Tyrannosaurus.
Durante l’inizio dell’era Cenozoica, il mare cominciò a ritirarsi dal Montana per l’ultima volta. L’attività tettonica estrema ha contribuito a formare montagne locali e ha sollevato gran parte dell’elevazione dello stato. I livelli locali di precipitazione aumentarono e diminuirono. Il Montana era la patria di creature come cani e titanotteri. I depositi terziari della parte sud-occidentale dello stato sono una delle migliori fonti di fossili di piante e insetti del Nord America. Più di duecento specie di piante, insetti e pesci sono noti da questi depositi. La flora comprendeva ninfee e loti. Durante il Terziario il Montana era sede di paludi che più tardi avrebbero lasciato il carbone. La fauna invertebrata consisteva di formiche, api, coleotteri, forbicine, caddischi, mosche gru, damselflies, mosche lanterna, mayflies, cavallette, cavallette, zanzare, lumache e vespe. I fossili di vertebrati contemporanei includevano piume e, una volta ogni tanto, un uccello. Tra la flora oligocenica del Montana c’erano ailanto, frassino, faggio, coda di gatto, cedro, cinquefoil, corniolo, olmo, felci, millefoglie, uva spina, uva rampicante, erbe, greenbriers, equiseti, ironwood, katsura tree, liverwort, mountain mahogany, maple, false mermaid, mosses, oak, pennycress, pondweed, dawn redwood, roses, sedges, smoke tree, snowberry, spiraea, false strawberry, and vetches. Fioriture simili sono conosciute dal Florissant del Colorado e dell’Oregon. Le piante e i molluschi del Miocene del Montana hanno lasciato dei resti a Bear Butte, a nord-ovest di Melville nei Fort Union Beds della Sweet Grass County. I mammiferi del Miocene conservati nei letti di Fort Union includevano arctocionidi, insettivori, multitubercolati, pantodonti, primati, taeniodonti. Durante il Miocene il Montana ospitava anche cammelli e cavalli. Più tardi nel Cenozoico il Montana divenne più freddo e più umido. L’attività glaciale ha setacciato lo stato. In questo periodo i mammut, i buoi muschiati e i lupi terribili vivevano nelle aree dello stato non coperte dai ghiacciai.