O registro fóssil em Montana se estende até o Pré-Cambriano. Durante o Pré-Cambriano tardio, o oeste do Montana estava coberto por um mar quente e raso. Este mar era o lar dos estromatólitos e da vida marinha de fundo cujos rastros no sedimento bentónico se fossilizariam mais tarde. A vida Montana da época incluía artrópodes, algas azuis-esverdeadas, conularianos, fungos e minhocas. Seus fósseis foram preservados no que hoje é conhecido como Parque Nacional Glaciar. As minhocas deixaram vestígios de fósseis, tais como recheios de tocas e trilhas através do sedimento. Durante o período Cambriano que se seguiu, o estado ainda estava em grande parte coberto pela água do mar. O mar Cambriano de Montana era o lar de algas, invertebrados e até mesmo alguns dos primeiros vertebrados conhecidos. Mais tarde, os trilobitas Cambrianos deixaram restos em Nixon Gulch, Horseshoe Hills a norte de Manhattan, Sawtooth-Lewis e Clark ranges a oeste de Augusta, e Bridger Range a norte de Bozeman. O mar acabou por se retirar do estado e a maior parte dos sedimentos Silurianos e Devonianos primitivos de Montana foram perdidos pela erosão. Durante o Devoniano tardio, quase todo o estado foi novamente inundado pelo mar. O mar Devoniano tardio de Montana era o lar de braquiópodes, conodontes, crinóides, peixes, moluscos e esponjas. Os mares continuaram a cobrir o estado até o período Carbonífero. Naquela época, o estado era o lar de um conjunto desconcertante de peixes cartilagíneos. Mais para o Paleozóico, os brachiopods do Mississippiano, os bryozoans e os corais deixaram para trás fósseis na Bridger Range e na Shell Mountain, ao sul da Big Timber. Mais tarde, no Carbonífero, durante a época da Pennsylvanian, o mar começou a recuar. A elevação geológica elevou a elevação das regiões norte e noroeste do estado. Montana foi coberta pelo mar novamente por um curto intervalo do período pérmico.
Durante o Triássico Primitivo, Montana estava localizada cerca de trinta graus de latitude ao norte do equador. O mar voltou duas vezes para cobrir áreas significativas do Montana durante o período Triássico que se seguiu. Os únicos fósseis contemporâneos conhecidos do estado são os restos dos habitantes deste mar. Em terra o Montana era quente e seco. Na época, o extremo sudoeste do Montana era coberto por uma pequena extensão do mar raso que cobria a costa ocidental da América do Norte e se estendia pelo norte do Canadá. O centro sul do Montana, pelo contrário, era um deserto dividido por riachos. Fora dessas regiões, pouco se sabe porque os sedimentos estavam sendo erodidos em vez de depositados. Durante o Jurássico, o mar regressou para cobrir o estado. O mar foi gradualmente preenchido por sedimentos erodidos fora das áreas de maior altitude na região oeste do estado. Durante o Jurássico Final, a maior parte do Montana foi coberta por água do mar, semelhante à que cobria o canto sudoeste durante o Triássico. Ironicamente, nesta altura a zona sudoeste do estado continha uma ilha. Este mar teria sido o lar de cefalópodes, crinóides, ictiossauros e pelecypods. Naquela época, Montana estava localizada a cerca de 40 graus de latitude. A flora do estado consistia em coníferas, cycadáceas, samambaias e ginkgoes. Ao sul do mar de Montana estava uma planície costeira dividida por riachos que corriam para oeste a partir de áreas de maior altitude a leste. Esta planície costeira era o lar de dinossauros, incluindo o ornithopod Camptosaurus, os sauropodes Apatosaurus e Diplodocus, e o theropod Allosaurus. Estes sedimentos depositaram o que agora é conhecido como Formação Morrison.
Durante trinta milhões de anos após o depósito dos sedimentos da Formação Morrison em Montana estavam sendo erodidos ao invés de depositados. A água do mar ainda estava presente em Montana, agora se estendendo como um embasamento para baixo a partir do Círculo Ártico. Os rios ainda corriam para o mar local, mas a fauna dinossauro local era muito diferente. Os carnívoros que viviam aqui incluíam o Deinonychus e o Microvenator. Os herbívoros incluíam Sauropelta e Tenontosaurus. Por volta desta época, as plantas floríferas faziam a sua primeira aparição no estado. Durante a parte central do Cretáceo Montana era parcialmente coberta pelo mar do interior ocidental. Erupções vulcânicas significativas ocorreram no Montana durante o tempo do Mar do Interior Ocidental. Este mar era o lar de cefalópodes, amêijoas e plesiossauros. Os sedimentos depositados por este mar compõem o que agora é chamado de Grupo Colorado. Nenhum fóssil de dinossauros é conhecido por ter sido preservado no grupo Colorado em Montana, mas fora do estado foram feitas descobertas ocasionais. O sudoeste do Montana era terra seca, mas nenhum desses depósitos produziu ainda fósseis de dinossauros. Há 85 milhões de anos atrás, o Mar do Interior Ocidental retirou-se ligeiramente deixando o Montana Ocidental como uma planície costeira. Os dinossauros estavam presentes, mas raramente deixaram restos fossilizados. O mar era o lar de animais como cefalópodes, gastrópodes, mosassauros, pelecypods, e plesiossauros.
Durante a Etapa Campaniana do Cretáceo Final, a planície costeira que margeava o Mar Interior Ocidental estava ladeada por rios e pontilhada por alguns lagos. Estes corpos de água depositaram os sedimentos que mais tarde se tornaram a Formação de Dois Medicamentos. Vulcões próximos estavam em erupção, depositando cinzas que mais tarde se tornariam bentonite. O clima era semiárido. A flora da planície costeira incluía florestas de coníferas, árvores caducifólias e samambaias. Uma diversidade de dinossauros vivia em Montana nesta época. Os hadrosaurs de Duckbilled eram habitantes comuns das planícies costeiras Campanian de Montana. Maiasaura é um exemplo. Montana tem um registro fóssil especialmente bom de dinossauros ceratopsid. Exemplos de ceratopsianos locais contemporâneos incluem o Einiossauro. Os terópodes Daspletossauro e Troodon também estiveram presentes. Tanto Maiasaura como Troodon são conhecidos por terem formado colônias de nidificação na região. As pegadas de dinossauros fósseis do Cretáceo tardio são surpreendentemente raras em Montana em comparação com outros estados ocidentais com depósitos contemporâneos. Isto pode ser devido ao ambiente antigo local não ser bem adequado para a preservação de trilhos ou simplesmente porque os cientistas ainda não procuraram nos lugares certos.
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Early in the Maastrichtian the Western Interior Seaway expandiu um pouco seus limites. Era o lar de cefalópodes, amêijoas, crustáceos, peixes, gastrópodes, mosassauros e plesiossauros. Mais tarde, na fase Maastrichtian, a atividade vulcânica ainda estava em curso na região de Elkhorn e o Mar Interior Ocidental começou a se retirar. Esta regressão acabaria resultando na reunificação de ambas as metades da América do Norte. À medida que o Seaway se retirava, a área mais próxima das Montanhas Rochosas tornou-se um deserto em expansão. O Montana Oriental era quente e húmido, pelo contrário, uma vez que a planície costeira também se estava a expandir como resultado da regressão marinha. No final da fase Maastrichtiana, grandes rios corriam pela parte oriental do estado, depositando os sedimentos que um dia se tornariam a Formação Hell Creek. Na época, Montana era o lar de alguns dos dinossauros mais famosos; criaturas incluindo Edmontossauro, Pachycephalosaurus, Triceratops, e Tyrannosaurus.
Durante o início da era Cenozóica, o mar começou a recuar de Montana pela última vez. A atividade tectônica extrema ajudou a formar montanhas locais e elevou a maior parte da elevação do estado. Os níveis locais de precipitação subiram e desceram. Montana era o lar de criaturas como cães e titanodias. Os depósitos terciários da parte sudoeste do estado são uma das melhores fontes de fósseis de plantas e insetos da América do Norte. Mais de duzentas espécies de plantas, insetos e peixes são conhecidas destes depósitos. A flora inclui lírios de água e lótus. Durante o Terciário Montana era o lar de pântanos que mais tarde deixariam o carvão para trás. A fauna invertebrada consistia em formigas, abelhas, besouros, bichas-cadelas, caddisflies, moscas-grua, moscas-d’água, moscas-lanterna, mayflies, gafanhotos, cigarrinhas, mosquitos, caracóis e vespas. Os fósseis de vertebrados contemporâneos incluíam penas e, de vez em quando, uma ave. Entre a flora oligocênica do Montana estavam ailanto, cinza, faia, rabo de gato, cedro, cinquefólio, madeira de cachorro, olmo, samambaias, samambaias, groselha, uva trepadeira, gramíneas, cachos verdes, rabo de cavalo, madeira de ferro, katsura, hepática, mogno da montanha, bordo, falsa sereia, musgos, carvalho, pennycress, lagoa, madeira vermelha do amanhecer, rosas, sedimentos, árvore de fumo, snowberry, espiraea, falso morango, e ervilhacas. Floras similares são conhecidas do Florissant do Colorado e do Oregon. As plantas e moluscos Miocénicos de Montana deixados para trás permanecem em Bear Butte, a noroeste de Melville, no Fort Union Beds do Condado de Sweet Grass. Os mamíferos Miocénicos preservados nos leitos de Fort Union incluíam arctocyonids, insectivores, multituberculates, pantodonts, primatas, taeniodonts. Durante o Miocénico Montana também se encontravam camelos e cavalos. Mais tarde no Montana Cenozóico tornou-se mais frio e húmido. A atividade glacial vasculhou o estado. Nesta época viviam mamutes, bois almiscarados, e lobos terríveis nas áreas do estado não cobertas por glaciares.