De fossielenbestanden in Montana gaan helemaal terug tot het Precambrium. Tijdens het late Precambrium werd het westen van Montana bedekt door een warme, ondiepe zee. Deze zee herbergde stromatolieten en bodembewonende zeedieren, waarvan de sporen op het benthische sediment later fossiliseerden. Tot het leven in Montana uit die tijd behoorden geleedpotigen, blauwalgen, conularia, schimmels en wormen. Hun fossielen zijn bewaard gebleven in wat nu bekend staat als Glacier National Park. De wormen lieten fossiele sporen na, zoals holenvullingen en sporen in het sediment. In de daaropvolgende Cambrium-periode was de staat nog grotendeels bedekt met zeewater. In de Cambriumzee van Montana leefden algen, ongewervelde dieren en zelfs enkele van de eerste bekende gewervelde dieren. Later lieten Cambrium trilobieten resten achter in Nixon Gulch, Horseshoe Hills ten noorden van Manhattan, Sawtooth-Lewis and Clark gebergten ten westen van Augusta, en de Bridger Range ten noorden van Bozeman. De zee trok zich uiteindelijk terug uit de staat en het grootste deel van de sedimenten uit het Siluur en Vroeg-Devoon van Montana ging verloren door erosie. Tijdens het Laat-Devoon werd bijna de hele staat opnieuw overspoeld door de zee. In de laat-Devoonzee van Montana kwamen brachiopoden, conodonten, crinoïden, vissen, weekdieren en sponzen voor. De zee bleef de staat bedekken tot in het Carboon. In die tijd was de staat de thuishaven van een verbijsterende reeks kraakbeenvissen. Verder in het Paleozoïcum lieten Mississippische brachiopoden, bryozoën en koralen fossielen achter in de Bridger Range en op Shell Mountain ten zuiden van Big Timber. Later in het Carboon, tijdens het Pennsylvanisch tijdperk, begon de zee zich terug te trekken. Door geologische opslibbing kwamen de noordelijke en noordwestelijke gebieden van de staat hoger te liggen. Montana werd opnieuw door de zee bedekt gedurende een korte periode van het Perm.
Tijdens het Vroeg-Trias bevond Montana zich op ongeveer dertig breedtegraden ten noorden van de evenaar. De zee keerde tweemaal terug en bedekte in de daaropvolgende Trias-periode grote delen van Montana. De enige bekende hedendaagse fossielen van de staat zijn de overblijfselen van de bewoners van deze zee. Op het land was Montana heet en droog. In die tijd werd de uiterste zuidwesthoek van Montana bedekt door een kleine uitbreiding van de ondiepe zee die de westkust van Noord-Amerika bedekte en zich uitstrekte tot in Noord-Canada. Zuid-centraal Montana daarentegen was een woestijn, doorsneden door beken. Buiten deze gebieden is weinig bekend omdat sedimenten eerder werden geërodeerd dan afgezet. Tijdens het Jura keerde de zee terug om de staat te bedekken. De zee werd geleidelijk opgevuld door sedimenten die werden weggesleten uit hoger gelegen gebieden in het westen van de staat. Tijdens het late Jura was het grootste deel van Montana bedekt met zeewater, vergelijkbaar met het zeewater dat tijdens het Trias de zuidwestelijke hoek van de staat bedekte. Ironisch genoeg bevatte het zuidwestelijke deel van de staat in deze periode een eiland. Deze zee zou het thuis zijn geweest van koppotigen, crinoïden, ichthyosauriërs en pelecypoden. In die tijd lag Montana op ongeveer 40 graden breedtegraad. De flora van de staat bestond uit coniferen, cycaden, varens en ginkgo’s. Ten zuiden van de zee van Montana lag een kustvlakte die werd doorsneden door beken die vanuit hoger gelegen gebieden in het oosten naar het westen stroomden. Op deze kustvlakte leefden dinosauriërs, waaronder de ornithopode Camptosaurus, de sauropoden Apatosaurus en Diplodocus, en de theropode Allosaurus. Deze sedimenten vormden de afzetting van wat nu bekend staat als de Morrison Formatie.
Dert dertig miljoen jaar na de afzetting van de Morrison Formatie werden de sedimenten in Montana eerder geërodeerd dan afgezet. Zeewater was nog steeds aanwezig in Montana, dat zich nu uitstrekte als een inham vanaf de poolcirkel. Rivieren stroomden nog steeds in de lokale zee, maar de lokale dinosaurus fauna was heel anders. Carnivoren die hier leefden waren onder andere Deinonychus en Microvenator. Tot de herbivoren behoorden Sauropelta en Tenontosaurus. Rond deze tijd zouden bloeiende planten voor het eerst hun intrede doen in de staat. In het midden van het Krijt werd Montana gedeeltelijk bedekt door de Westelijke Binnenzee. In de tijd van de Westelijke Binnenzee vonden in Montana belangrijke vulkaanuitbarstingen plaats. In deze zee leefden koppotigen, mosselen en plesiosauriërs. De sedimenten die door deze zee zijn afgezet, vormen wat nu de Colorado Groep wordt genoemd. Er zijn geen dinosaurusfossielen bekend die in de Coloradogroep in Montana bewaard zijn gebleven, maar buiten de staat zijn af en toe vondsten gedaan. Het zuidwesten van Montana was droog land, maar geen van die afzettingen heeft tot nu toe dinosaurusfossielen opgeleverd. 85 miljoen jaar geleden trok de Westelijke Binnenzee zich iets terug, waardoor West-Montana als kustvlakte overbleef. Dinosaurussen waren aanwezig, maar lieten zelden fossiele resten achter. In de zee leefden dieren als koppotigen, buikpotigen, mosasauriërs, pelecypoden en plesiosauriërs.
Tijdens het Campanien van het Laat-Krijt was de kustvlakte grenzend aan de Westelijke Binnenzee omzoomd door rivieren en bezaaid met een paar meren. Deze watermassa’s zetten de sedimenten af die later de Two Medicine Formation werden. Nabijgelegen vulkanen barstten uit en sloegen as neer die later bentoniet zou worden. Het klimaat was halfdroog. De flora van de kustvlakte omvatte naaldbossen, loofbomen en varens. In Montana leefden in deze tijd verschillende soorten dinosaurussen. Eendoornige hadrosaurussen waren veel voorkomende bewoners van Montana’s Campanian kustvlakten. Maiasaura is een voorbeeld. Montana heeft een bijzonder goed fossielbestand van ceratopside dinosaurussen. Voorbeelden van hedendaagse lokale ceratopsiërs zijn Einiosaurus. De theropoden Daspletosaurus en Troodon waren ook aanwezig. Zowel van Daspletosaurus als van Troodon is bekend dat zij in het gebied nestkolonies hebben gevormd. Fossiele dinosaurusvoetafdrukken uit het late Krijt zijn verrassend zeldzaam in Montana in vergelijking met andere westelijke staten met hedendaagse afzettingen. Dit kan te wijten zijn aan het feit dat de plaatselijke oude milieus niet goed geschikt zijn voor het bewaren van sporen of gewoon omdat wetenschappers nog niet op de juiste plaatsen hebben gezocht.
Aan het begin van het Maastrichtien breidde de Westelijke Binnenzee haar grenzen enigszins uit. Er leefden koppotigen, schelpdieren, schaaldieren, vissen, buikpotigen, mosasauriërs en plesiosauriërs. Later in het Maastrichtien was er nog steeds vulkanische activiteit in de Elkhorn-regio en de westelijke Interior Seaway begon zich terug te trekken. Deze terugtrekking zou uiteindelijk leiden tot de hereniging van beide helften van Noord-Amerika. Terwijl de zeeweg zich terugtrok, werd het gebied het dichtst bij de Rocky Mountains een zich uitbreidende woestijn. Oostelijk Montana daarentegen was warm en vochtig, omdat de kustvlakte zich ook uitbreidde als gevolg van de mariene regressie. Aan het eind van het Maastrichtien stroomden grote rivieren door het oostelijk deel van de staat, waar zij de sedimenten afzetten die ooit de Hell Creek Formation zouden worden. In die tijd leefden in Montana enkele van de beroemdste dinosaurussen, waaronder de Edmontosaurus, de Pachycephalosaurus, de Triceratops en de Tyrannosaurus.
Tijdens het vroege Cenozoïcum begon de zee zich voor de laatste maal uit Montana terug te trekken. Extreme tektonische activiteit hielp lokale bergen te vormen en verhoogde een groot deel van de hoogte van de staat. Plaatselijke neerslaghoeveelheden stegen en daalden. In Montana leefden wezens als honden en titanotheres. De Tertiaire afzettingen uit het zuidwesten van de staat zijn een van de beste bronnen van planten- en insectenfossielen in Noord-Amerika. Meer dan tweehonderd soorten planten, insecten en vissen zijn bekend uit deze afzettingen. Tot de flora behoren waterlelies en lotussen. Tijdens het Tertiair waren in Montana moerassen te vinden die later steenkool zouden achterlaten. De ongewervelde fauna bestond uit mieren, bijen, kevers, oorwurmen, caddisvliegen, langpootmuggen, waterjuffers, lantaarnvliegen, meivliegen, sprinkhanen, bladhaantjes, muggen, slakken en wespen. Tot de hedendaagse gewervelde fossielen behoorden veren en, af en toe, een vogel. Tot de Oligocene flora van Montana behoorden ailanthus, es, beuk, kattestaart, ceder, cinquefoil, kornoelje, iep, varens, moerasvaren, kruisbes, klimdruiven, grassen, greenbriers, paardenstaarten, ijzerhout, katsuraboom, levermos, bergmahonie, esdoorn, valse zeemeermin, mossen, eik, pinksterbloem, fonteinkruid, metasequoia, rozen, zegges, rookboom, sneeuwbes, spiraea, valse aardbei, en wikke. Vergelijkbare floras zijn bekend van de Florissant van Colorado en Oregon. Montana’s Miocene planten en weekdieren hebben resten achtergelaten bij Bear Butte, ten noordwesten van Melville in Sweet Grass County’s Fort Union Beds. Tot de Miocene zoogdieren die in de Fort Union Beds bewaard zijn gebleven, behoorden arctocyoniden, insecteneters, multituberculaten, pantodonten, primaten en taeniodonten. Tijdens het Mioceen leefden in Montana ook kamelen en paarden. Later in het Cenozoïcum werd Montana kouder en natter. Gletsjers hebben de staat uitgekamd. In deze tijd leefden mammoeten, muskusossen en wolven in de delen van de staat die niet door gletsjers waren bedekt.