Zapis skamieniałości w Montanie rozciąga się aż do prekambru. Podczas późnego prekambru, zachodnia Montana była pokryta ciepłym, płytkim morzem. To morze było domem dla stromatolitów i żyjącego na dnie życia morskiego, którego ślady na osadach dennych później skamieniały. Ówczesne życie Montana obejmowało stawonogi, niebiesko-zielone algi, konularie, grzyby i robaki. Ich skamieniałości zachowały się na terenie dzisiejszego Parku Narodowego Glacier. Robaki pozostawiły w osadach skamieniałości śladowe, takie jak wypełnienia nor i szlaki. Podczas następującego po nim okresu kambryjskiego stan był nadal w dużej mierze pokryty wodą morską. W kambryjskim morzu Montany żyły glony, bezkręgowce, a nawet niektóre z pierwszych znanych kręgowców. Później trylobity kambryjskie pozostawiły po sobie szczątki w Nixon Gulch, Horseshoe Hills na północ od Manhattanu, Sawtooth-Lewis and Clark na zachód od Augusty i Bridger Range na północ od Bozeman. Morze w końcu wycofało się ze stanu i większość osadów sylurskich i wczesnodewońskich Montany została utracona w wyniku erozji. W późnym dewonie niemal cały stan został ponownie zalany przez morze. Późnodewońskie morze w Montanie było domem dla ramienionogów, konodontów, krynoidów, ryb, mięczaków i gąbek. Morza nadal pokrywały stan aż do okresu karbonu. W tym czasie, stan był domem dla zdumiewającej gamy ryb chrzęstnoszkieletowych. W dalszej części paleozoiku, w Mississippian brachiopody, mezozoany i koralowce pozostawiły po sobie skamieniałości w Bridger Range i w Shell Mountain na południe od Big Timber. Później w karbonie, w epoce pensylwańskiej, morze zaczęło się cofać. Geologiczne wypiętrzenie podniosło wysokość północnych i północno-zachodnich regionów stanu. Montana została ponownie pokryta morzem na krótki okres permu.
Podczas wczesnego triasu Montana znajdowała się około trzydziestu stopni szerokości geograficznej na północ od równika. Morze powróciło dwukrotnie, by objąć znaczne obszary Montany w następującym po nim okresie triasowym. Jedyne znane współczesne skamieniałości z tego stanu to pozostałości po mieszkańcach morza. Na lądzie Montana była gorąca i sucha. W tym czasie południowo-zachodni kraniec Montany był pokryty niewielkim przedłużeniem płytkiego morza, które pokrywało zachodnie wybrzeże Ameryki Północnej i rozciągało się na północną Kanadę. Z kolei południowo-środkowa Montana była pustynią poprzecinaną strumieniami. Poza tymi regionami niewiele wiadomo, ponieważ osady były raczej erodowane niż odkładane. W okresie jurajskim morze powróciło, by pokryć stan. Morze było stopniowo wypełniane przez osady wyniesione z wyżej położonych obszarów w zachodniej części stanu. W późnej jurze większa część Montany była pokryta wodą morską, podobną do tej, która pokrywała południowo-zachodni kraniec stanu w triasie. Jak na ironię, w tym okresie w południowo-zachodniej części stanu znajdowała się wyspa. To morze było domem dla głowonogów, krynoidów, ichtiozaurów i pelecypodów. W tamtych czasach Montana znajdowała się na około 40 stopniu szerokości geograficznej. Flora tego stanu składała się z drzew iglastych, cykad, paproci i miłorzębów. Na południe od morza Montana znajdowała się równina przybrzeżna, podzielona przez strumienie płynące na zachód od obszarów wyżej położonych na wschodzie. Ta przybrzeżna równina była domem dla dinozaurów, w tym ornitopoda Camptosaurus, zauropodów Apatosaurus i Diplodocus oraz teropoda Allosaurus. Osady te zdeponowały to, co obecnie znane jest jako Formacja Morrison.
Przez trzydzieści milionów lat po zdeponowaniu osadów Formacji Morrison w Montanie były raczej erodowane niż deponowane. Woda morska była nadal obecna w Montanie, teraz rozciągając się jako embayment w dół od koła podbiegunowego. Rzeki wciąż wpadały do lokalnego morza, ale lokalna fauna dinozaurów była zupełnie inna. Do żyjących tu mięsożerców należały Deinonychus i Microvenator. Do roślinożerców należały Sauropelta i Tenontosaurus. Mniej więcej w tym czasie na terenie państwa po raz pierwszy pojawiły się rośliny kwitnące. W środkowej części kredy Montana była częściowo pokryta Morzem Zachodnio-Wewnętrznym. Znaczące erupcje wulkaniczne miały miejsce w Montanie w czasie istnienia Western Interior Seaway. To morze było domem dla głowonogów, małży i plezjozaurów. Osady zdeponowane przez to morze składają się na to, co obecnie nazywane jest Grupą Kolorado. Nie są znane żadne skamieniałości dinozaurów zachowane w grupie Colorado w Montanie, ale poza stanem dokonano sporadycznych odkryć. Południowo-zachodnia Montana była suchym lądem, ale żadne z tych złóż nie przyniosło jeszcze skamieniałości dinozaurów. 85 milionów lat temu Western Interior Seaway wycofał się nieco, pozostawiając zachodnią Montanę jako równinę przybrzeżną. Dinozaury były obecne, ale rzadko pozostawiały skamieniałe szczątki. Morze było domem dla zwierząt takich jak głowonogi, ślimaki, mosazaurów, pelecypodów i plezjozaurów.
Podczas Campanian Stage późnej kredy równina przybrzeżna granicząca z Western Interior Seaway była wyłożona rzekami i usiana kilkoma jeziorami. Te zbiorniki wodne zdeponowały osady, które później stały się formacją Two Medicine. Pobliskie wulkany wybuchały, osadzając popiół, który później stał się bentonitem. Klimat był półsuchy. Flora równiny przybrzeżnej składała się z lasów iglastych, drzew liściastych i paproci. W tym czasie w Montanie żyło wiele różnych dinozaurów. Kaczodziobe hadrozaury były powszechnymi mieszkańcami kampańskich równin przybrzeżnych Montany. Maiasaura jest jednym z przykładów. Montana posiada szczególnie dobry zapis kopalny dinozaurów ceratopsydów. Przykłady współczesnych lokalnych ceratopsydów to Einiosaurus. Obecne były także teropody Daspletosaurus i Troodon. Wiadomo, że zarówno Maiasaura, jak i Troodon tworzyły na tym terenie kolonie lęgowe. Późnokredowe kopalne odciski dinozaurów są zaskakująco rzadkie w Montanie w porównaniu z innymi zachodnimi stanami, gdzie występują współczesne złoża. Może to wynikać z faktu, że lokalne starożytne środowiska nie są dobrze przystosowane do konserwacji tropów lub po prostu naukowcy nie szukali jeszcze we właściwych miejscach.
Wcześniej w maastrychcie Western Interior Seaway rozszerzył nieco swoje granice. Zamieszkiwały go głowonogi, małże, skorupiaki, ryby, ślimaki, mosazaur i plezjozaury. W późniejszym etapie Maastrichtianu, w regionie Elkhorn nadal trwała aktywność wulkaniczna, a Western Interior Seaway zaczął się wycofywać. Ta regresja doprowadziła do ponownego połączenia się obu połówek Ameryki Północnej. Wraz z wycofywaniem się drogi morskiej obszar położony najbliżej Gór Skalistych stał się rozszerzającą się pustynią. Z kolei wschodnia Montana była gorąca i wilgotna, ponieważ równina przybrzeżna również rozszerzała się w wyniku regresji morskiej. Do późnego okresu maastrychtu przez wschodnią część stanu przepływały duże rzeki, osadzając osady, które pewnego dnia staną się formacją Hell Creek. W tym czasie Montana była domem dla jednych z najsłynniejszych dinozaurów; stworzeń takich jak Edmontosaurus, Pachycephalosaurus, Triceratops i Tyrannosaurus.
W czasie wczesnej ery kenozoicznej morze zaczęło wycofywać się z Montany po raz ostatni. Ekstremalna aktywność tektoniczna pomogła uformować lokalne góry i podniosła znaczną część wysokości stanu. Lokalne poziomy opadów rosły i spadały. Montana była domem dla stworzeń takich jak psy i tytanotheres. Złoża trzeciorzędowe z południowo-zachodniej części stanu są jednym z najlepszych źródeł skamieniałości roślin i owadów w Ameryce Północnej. Z tych złóż znanych jest ponad dwieście gatunków roślin, owadów i ryb. Flora zawierała lilie wodne i lotosy. W okresie trzeciorzędu Montana była domem dla bagien, które później pozostawiły po sobie węgiel. Fauna bezkręgowców obejmowała mrówki, pszczoły, chrząszcze, uszaki, kaduceusze, muchy żurawiowe, samogłowy, muchy latarniowe, jętki, pasikoniki, koniki polne, komary, ślimaki i osy. Do współczesnych skamieniałości kręgowców należały pióra, a raz na jakiś czas także ptak. Do oligoceńskiej flory Montany należały: ailantus, jesion, buk, ogony, cedr, pięciornik, dąb, wiąz, paprocie, paproć, paproć milfoil, agrest, winogrona pnące, trawy, greenbriers, skrzypy, drzewo żelazne, drzewo katsura, żywokost, mahonia górska, klon zwyczajny, syrena pospolita, mchy, dąb szypułkowy, rdestnica pospolita, rudbekia świtezianka, róże, turzyce, dymnica pospolita, śnieżka, świergotek pospolity, poziomka pospolita i wyka. Podobne flory znane są z Florissant w Kolorado i Oregonie. Mioceńskie rośliny i mięczaki z Montany pozostawiły po sobie szczątki w Bear Butte, na północny zachód od Melville w Sweet Grass County w Fort Union Beds. Mioceńskie ssaki zachowane w złożach Fort Union to arktocyonidy, owadożerne, wielożerne, pantodonty, naczelne, taeniodonty. W miocenie Montana była także domem dla wielbłądów i koni. W późniejszym okresie kenozoiku Montana stała się chłodniejsza i bardziej wilgotna. Lodowce spustoszyły stan. W tym czasie mamuty, woły piżmowe i wilki żyły na obszarach stanu nie pokrytych lodowcami.