Registrul fosilelor din Montana se întinde până în Precambrian. În timpul Precambrianului târziu, vestul statului Montana a fost acoperit de o mare caldă și puțin adâncă. Această mare a găzduit stromatolite și viețuitoare marine care trăiau pe fundul apei, ale căror urme pe sedimentele bentonice se vor fosiliza mai târziu. Viața din Montana din acea perioadă includea artropode, alge verzi-albastre, conulari, ciuperci și viermi. Fosilele lor au fost păstrate în ceea ce astăzi este cunoscut sub numele de Parcul Național Glacier. Viermii au lăsat urme fosile, cum ar fi umpluturi de vizuini și urme prin sedimente. În timpul perioadei cambriene care a urmat, statul era încă acoperit în mare parte de apă de mare. Marea cambriană din Montana a găzduit alge, nevertebrate și chiar unele dintre primele vertebrate cunoscute. Mai târziu, trilobiții cambrieni au lăsat rămășițe în Nixon Gulch, Horseshoe Hills la nord de Manhattan, în lanțurile Sawtooth-Lewis și Clark la vest de Augusta și în lanțul Bridger la nord de Bozeman. Marea s-a retras în cele din urmă din stat, iar cea mai mare parte a sedimentelor siluriene și devoniene timpurii din Montana s-au pierdut în urma eroziunii. În timpul Devonianului târziu, aproape întregul stat a fost din nou inundat de mare. Marea Devonianului târziu din Montana a găzduit brahiopode, conodonți, crinoide, pești, moluște și bureți. Mările au continuat să acopere statul până în perioada Carboniferă. În acea perioadă, statul a găzduit o gamă năucitoare de pești cartilaginoși. Mai departe în Paleozoic, brahiopodele, briozoarele și coralii din Mississippian au lăsat în urmă fosile în Bridger Range și la Shell Mountain, la sud de Big Timber. Mai târziu, în Carbonifer, în timpul epocii Pennsylvanian, marea a început să se retragă. Ridicarea geologică creștea înălțimea regiunilor din nordul și nord-vestul statului. Montana a fost acoperită din nou de mare pentru un scurt interval de timp din perioada Permianului.
În timpul Triasicului timpuriu, Montana era situată la aproximativ treizeci de grade de latitudine la nord de ecuator. Marea s-a întors de două ori pentru a acoperi zone semnificative din Montana în timpul Triasicului care a urmat. Singurele fosile contemporane cunoscute din acest stat sunt rămășițele locuitorilor acestei mări. Pe uscat, Montana era caldă și uscată. La acea vreme, colțul extrem de sud-vestic al statului Montana era acoperit de o mică extensie a mării puțin adânci care acoperea coasta vestică a Americii de Nord și se întindea până în nordul Canadei. În schimb, partea centrală sudică a statului Montana era un deșert împărțit de cursuri de apă. În afara acestor regiuni se cunosc puține lucruri, deoarece sedimentele erau mai degrabă erodate decât depozitate. În timpul Jurasicului, marea a revenit să acopere statul. Marea a fost umplută treptat de sedimentele erodate din zonele cu altitudine mai mare din regiunea vestică a statului. În timpul Jurasicului târziu, cea mai mare parte a statului Montana a fost acoperită de apă de mare, similară cu cea care a acoperit colțul de sud-vest în timpul Triasicului. În mod ironic, în acest moment, zona de sud-vest a statului conținea o insulă. Această mare ar fi adăpostit cefalopode, crinoide, ihtiozauri și pelecypode. La acea vreme, Montana se afla la o latitudine de aproximativ 40 de grade. Flora statului era formată din conifere, cicade, ferigi și ginkgoes. La sud de marea din Montana se afla o câmpie de coastă despărțită de cursuri de apă care curgeau spre vest din zonele cu altitudine mai mare de la est. În această câmpie de coastă au trăit dinozauri, inclusiv ornithopodul Camptosaurus, sauropodele Apatosaurus și Diplodocus și teopodul Allosaurus. Aceste sedimente au depus ceea ce astăzi este cunoscut sub numele de Formațiunea Morrison.
Pe parcursul a treizeci de milioane de ani după depunerea Formațiunii Morrison, sedimentele din Montana au fost mai degrabă erodate decât depuse. Apa de mare era încă prezentă în Montana, care se întindea acum sub forma unei insulițe în jos de la Cercul Arctic. Râurile curgeau încă în marea locală, dar fauna locală de dinozauri era foarte diferită. Printre carnivorele care trăiau aici se numărau Deinonychus și Microvenator. Printre erbivore se numărau Sauropelta și Tenontosaurus. În această perioadă, plantele cu flori își vor face prima apariție în acest stat. În partea de mijloc a Cretacicului, Montana a fost parțial acoperită de canalul maritim interior vestic. Erupții vulcanice semnificative au avut loc în Montana în perioada în care a existat Calea maritimă interioară vestică. Această mare a găzduit cefalopode, scoici și plesiozauri. Sedimentele depuse de această mare compun ceea ce astăzi se numește Grupul Colorado. Nu se cunoaște nicio fosilă de dinozaur care să se fi păstrat în grupul Colorado din Montana, dar în afara statului au fost făcute descoperiri ocazionale. Sud-vestul statului Montana a fost uscat, dar niciunul dintre aceste depozite nu a dat încă fosile de dinozauri. În urmă cu 85 de milioane de ani, canalul maritim interior vestic s-a retras ușor, lăsând vestul statului Montana ca o câmpie de coastă. Dinozaurii erau prezenți, dar rareori au lăsat rămășițe fosilizate. Marea adăpostea animale precum cefalopode, gasteropode, mosasauri, pelecypode și plesiosauri.
În timpul etapei Campanian din Cretacicul târziu, câmpia de coastă care mărginește Calea maritimă interioară vestică era mărginită de râuri și presărată cu câteva lacuri. Aceste corpuri de apă au depus sedimentele care au devenit mai târziu Formațiunea Two Medicine. Vulcanii din apropiere au erupt, depunând cenușă care mai târziu va deveni bentonită. Clima era semiaridă. Flora din câmpia de coastă includea păduri de conifere, arbori de foioase și ferigi. O gamă variată de dinozauri a trăit în Montana în această perioadă. Hadrosaurozaurii cu cioc de rață erau locuitori obișnuiți ai câmpiilor de coastă campaniană din Montana. Maiasaura este un exemplu. Montana are o înregistrare fosilă deosebit de bună a dinozaurilor ceratopside. Printre exemplele de ceratopsieni locali contemporani se numără Einiosaurus. Teropozii Daspletosaurus și Troodon au fost, de asemenea, prezenți. Se știe că atât Maiasaura cât și Troodon au format colonii de cuiburi în zonă. Urmele fosile de dinozauri din Cretacicul târziu sunt surprinzător de rare în Montana, în comparație cu alte state vestice cu zăcăminte contemporane. Acest lucru s-ar putea datora faptului că mediile antice locale nu sunt potrivite pentru conservarea urmelor sau pur și simplu pentru că oamenii de știință nu au căutat încă în locurile potrivite.
La începutul Maastrichțianului, Calea maritimă interioară vestică și-a extins oarecum limitele. A găzduit cefalopode, scoici, crustacee, pești, gasteropode, mosasauri și plesiosauri. Mai târziu, în etapa Maastrichțianului, activitatea vulcanică era încă în curs de desfășurare în regiunea Elkhorn, iar Calea maritimă interioară vestică a început să se retragă. Acest regres avea să ducă în cele din urmă la reunificarea celor două jumătăți ale Americii de Nord. Pe măsură ce calea maritimă se retrăgea, zona cea mai apropiată de Munții Stâncoși a devenit un deșert în expansiune. În schimb, estul statului Montana era cald și umed, deoarece câmpia de coastă se extindea, de asemenea, ca urmare a regresiei marine. La sfârșitul Maastrichțianului, râuri mari curgeau prin partea de est a statului, depunând sedimentele care vor deveni într-o zi Formațiunea Hell Creek. La acea vreme, Montana a fost casa unora dintre cei mai faimoși dinozauri; creaturi incluzând Edmontosaurus, Pachycephalosaurus, Triceratops și Tyrannosaurus.
În timpul erei Cenozoice timpurii, marea a început să se retragă din Montana pentru ultima dată. Activitatea tectonică extremă a ajutat la formarea munților locali și a ridicat o mare parte din altitudinea statului. Nivelurile locale de precipitații au crescut și au scăzut. Montana a fost casa unor creaturi precum câinii și titanii. Depozitele terțiare din partea de sud-vest a statului sunt una dintre cele mai bune surse de fosile de plante și insecte din America de Nord. Mai mult de două sute de specii de plante, insecte și pești sunt cunoscute din aceste depozite. Flora include nuferi și lotuși de apă. În timpul Terțiarului, Montana a găzduit mlaștini care mai târziu aveau să lase în urmă cărbune. Fauna de nevertebrate era formată din furnici, albine, gândaci, urechelnițe, muște cadi, muște de cocor, muște de mare, muște de lanternă, muște de mai, lăcuste, lăcuste de frunze, țânțari, melci și viespi. Fosilele de vertebrate contemporane includeau pene și, din când în când, câte o pasăre. Printre flora oligocenului din Montana se numărau: ailanthus, frasin, fag, cattail, cedru, cinquefoil, lemn de câine, ulm, ferigi, ferigă, ferigă de mătase, cătină, struguri cățărători, ierburi, iarbă verde, coada-calului, lemnul de fier, arborele de katsura, ficatul, mahon de munte, arțarul, falsa sirenă, mușchii, stejarul, crețușca, iarba de baltă, sequoia de zori, trandafirii, sedanii, arborele de fum, afinul zăpezii, spiraea, căpșunul fals și vetrele. Florii similare sunt cunoscute de la Florissant din Colorado și Oregon. Plantele și moluștele din Miocenul din Montana au lăsat rămășițe la Bear Butte, la nord-vest de Melville, în Fort Union Beds din Sweet Grass County. Mamiferele miocene păstrate în paturile Fort Union au inclus arctocyonide, insectivore, multituberculate, pantodonți, primate, taeniodonți. În timpul Miocenului, Montana a găzduit, de asemenea, cămile și cai. Mai târziu, în Cenozoic, Montana a devenit mai rece și mai umedă. Activitatea glaciară a măturat statul. În această perioadă, mamuții, boii de mosc și lupii de mare trăiau în zonele din stat care nu erau acoperite de ghețari.
.