Fossilregistret i Montana sträcker sig ända tillbaka till prekambrium. Under det sena prekambriska var västra Montana täckt av ett varmt, grunt hav. Detta hav var hemvist för stromatoliter och för bottenlevande marint liv vars spår på de bentiska sedimenten senare skulle fossileras. Det montaniska livet på den tiden omfattade leddjur, blågröna alger, konularier, svampar och maskar. Deras fossiler bevarades i det som nu är känt som Glacier National Park. Maskarna lämnade spårfossil såsom fyllningar av hålor och spår genom sedimentet. Under den efterföljande kambriska perioden var staten fortfarande till stor del täckt av havsvatten. Montanas kambriska hav var hemvist för alger, ryggradslösa djur och till och med några av de första kända ryggradsdjuren. Senare lämnade kambriska trilobiter kvar rester i Nixon Gulch, Horseshoe Hills norr om Manhattan, Sawtooth-Lewis and Clark ranges väster om Augusta och Bridger Range norr om Bozeman. Havet drog sig så småningom tillbaka från staten och de flesta av Montanas siluriska och tidiga devoniska sediment gick förlorade genom erosion. Under den sena devonianen översvämmades nästan hela delstaten återigen av havet. Montanas sen-devoniska hav var hemvist för brachiopoder, conodonts, crinoider, fiskar, mollusker och svampar. Haven fortsatte att täcka delstaten under karbonperioden. Vid den tiden var staten hemvist för en förbryllande mängd broskiga fiskar. Längre in i paleozoikum lämnade Mississippiska brachiopoder, bryozoer och koraller efter sig fossiler i Bridger Range och vid Shell Mountain söder om Big Timber. Senare i karbon, under den pennsylvaniska epoken, började havet dra sig tillbaka. Den geologiska upphöjningen höjde höjden i delstatens norra och nordvästra regioner. Montana täcktes återigen av havet under ett kort intervall av permperioden.
Under tidig trias låg Montana ungefär trettio latitudgrader norr om ekvatorn. Havet återvände två gånger för att täcka betydande områden i Montana under den efterföljande triasperioden. Delstatens enda kända samtida fossil är resterna av detta havs invånare. På land var Montana varmt och torrt. Vid den tiden täcktes det sydvästligaste hörnet av Montana av en liten förlängning av det grunda hav som täckte Nordamerikas västkust och sträckte sig in i norra Kanada. Södra centrala Montana var däremot en öken som delades av vattendrag. Utanför dessa områden vet man inte mycket eftersom sediment eroderades snarare än deponerades. Under jura återvände havet och täckte delstaten. Havet fylldes gradvis med sediment som eroderades bort från områden med högre höjd i delstatens västra region. Under den sena juran var större delen av Montana täckt av havsvatten, liknande det som täckte det sydvästra hörnet under trias. Ironiskt nog fanns det vid denna tidpunkt en ö i delstatens sydvästra område. Detta hav skulle ha varit hemvist för bläckfiskar, crinoider, ichtyosaurier och pelecypoder. Vid den här tiden låg Montana på ungefär 40 graders breddgrad. Delstatens flora bestod av barrträd, cycader, ormbunkar och ginkgo. Söder om Montanas hav fanns en kustslätt som delades av vattendrag som flöt västerut från områden med högre höjd i öster. Denna kustslätt var hemvist för dinosaurier, däribland ornithopoden Camptosaurus, sauropoderna Apatosaurus och Diplodocus samt theropoden Allosaurus. Dessa sediment avlagrade det som nu är känt som Morrisonformationen.
I trettio miljoner år efter avlagringen av Morrisonformationen eroderades sedimenten i Montana snarare än att de avlagrades. Havsvatten fanns fortfarande kvar i Montana, som nu sträcker sig som en fördjupning ner från polcirkeln. Floder flödade fortfarande ut i det lokala havet, men den lokala dinosauriefaunan var mycket annorlunda. Bland de rovdjur som levde här fanns Deinonychus och Microvenator. Bland växtätarna fanns Sauropelta och Tenontosaurus. Runt den här tiden skulle blommande växter dyka upp för första gången i staten. Under den mellersta delen av kritan var Montana delvis täckt av Western Interior Seaway. Betydande vulkanutbrott inträffade i Montana under tiden för Western Interior Seaway. I detta hav levde bläckfiskar, musslor och plesiosaurier. De sediment som avlagrades av detta hav utgör det som nu kallas Coloradogruppen. Inga dinosauriefossil är kända för att ha bevarats i Coloradogruppen i Montana, men utanför delstaten har enstaka fynd gjorts. Sydvästra Montana var torra landområden, men inga av dessa avlagringar har ännu gett upphov till dinosauriefossil. För 85 miljoner år sedan drog sig den västra inre sjövägen tillbaka något och lämnade västra Montana som en kustslätt. Dinosaurier fanns där men lämnade sällan fossila lämningar. I havet levde djur som bläckfiskar, snäckor, mosasaurier, pelecypoder och plesiosaurier.
Under den kampaniska fasen av den sena kritan var kustslätten som gränsar till Western Interior Seaway kantad av floder och prickig med några få sjöar. Dessa vattenmassor avsatte de sediment som senare blev Two Medicine-formationen. Vulkaner i närheten hade utbrott och deponerade aska som senare skulle bli bentonit. Klimatet var halvtorrt. Floran på kustslätten bestod av barrskogar, lövträd och ormbunkar. En mängd olika dinosaurier levde i Montana vid den här tiden. Hadrosaurier med ankbräda var vanliga invånare på Montanas kampaniska kustslätter. Maiasaura är ett exempel. Montana har ett särskilt bra fossilregister över ceratopsiddinosaurier. Exempel på samtida lokala ceratopsider är Einiosaurus. Theropoderna Daspletosaurus och Troodon förekom också. Både Maiasaura och Troodon är kända för att ha bildat häckningskolonier i området. Fossila dinosauriefotspår från slutet av kritaperioden är förvånansvärt sällsynta i Montana jämfört med andra väststater med samtida fyndigheter. Detta kan bero på att de lokala forntida miljöerna inte är väl lämpade för bevarande av spår eller bara på att forskarna ännu inte har letat på rätt ställen.
Tidigt under Maastrichtian utvidgade den västra inre sjövägen sina gränser något. Den var hemvist för bläckfiskar, musslor, kräftdjur, fiskar, snäckor, mosasaurier och plesiosaurier. Senare under det maastrichtianska skedet pågick fortfarande vulkanisk aktivitet i Elkhorn-regionen och den västra inre sjövägen började dra sig tillbaka. Denna tillbakagång skulle i slutändan leda till att de båda halvorna av Nordamerika återförenades. När sjövägen drog sig tillbaka blev området närmast Klippiga bergen en expanderande öken. Östra Montana var däremot varmt och fuktigt, eftersom kustslätten också expanderade till följd av den marina regressionen. I slutet av Maastrichtian flödade stora floder genom den östra delen av delstaten och avsatte de sediment som en dag skulle bli Hell Creek-formationen. Vid den tiden var Montana hemvist för några av de mest kända dinosaurierna; varelser som Edmontosaurus, Pachycephalosaurus, Triceratops och Tyrannosaurus.
Under den tidiga kenozoiska eran började havet dra sig tillbaka från Montana för sista gången. Extrem tektonisk aktivitet bidrog till att bilda lokala berg och höjde en stor del av delstatens höjd. Lokala nivåer av nederbörd ökade och minskade. Montana var hem för varelser som hundar och titanotheres. De tertiära avlagringarna från den sydvästra delen av delstaten är en av de bästa källorna till växt- och insektsfossil i Nordamerika. Mer än tvåhundra arter av växter, insekter och fiskar är kända från dessa avlagringar. Bland floran fanns bland annat näckrosor och lotusar. Under tertiärtiden var Montana hemvist för träsk som senare skulle lämna kol efter sig. Den ryggradslösa faunan bestod av myror, bin, skalbaggar, öronvivlar, caddisflugor, tranor, dammsugare, lanternflugor, majflugor, gräshoppor, lövhoppor, myggor, sniglar och getingar. De samtida ryggradsdjursfossilerna omfattade fjädrar och, då och då, en fågel. Bland den oligocena floran i Montana fanns ailanthus, ask, bok, kattfot, ceder, cinquefoil, hundäxing, alm, ormbunkar, ormbunkar, milfoil, ormbunkar, krusbär, klätterdruvor, gräs, grönsaks, hästsvansar, järnträd, katsuraträd, levermossa, bergmahogny, lönn, falsk sjöjungfru, mossor, ek, pennikris, pudelört, rödven, rosor, sly, rökträd, snöbär, spiraea, falska jordgubbar och vickor. Liknande floror är kända från Florissant i Colorado och Oregon. Montanas miocena växter och mollusker lämnade kvar rester vid Bear Butte, nordväst om Melville i Sweet Grass Countys Fort Union Beds. De miocena däggdjur som bevarats i Fort Union-bäddarna omfattade arctocyonider, insektsätare, multituberkulater, pantodontiter, primater, taeniodontiter. Under miocen var Montana också hemvist för kameler och hästar. Senare under det kenozoiska århundradet blev Montana kallare och fuktigare. Glaciala aktiviteter sköljde staten. Vid denna tid levde mammutar, myskoxar och skräckvargar i de delar av delstaten som inte var täckta av glaciärer.