Paleozoik zamanın yaklaşık 542 milyon yıl önce Kambriyan dönemi ile başladığını biliyoruz. Bu dönemin ilk 10 milyon yılında hayvan çeşitliliği azdır. Bütün modern filumların, iskeletli deniz hayvanlarının ve hatta pek çok soyu tükenmiş grubun taşıl kayıtlarının ortaya çıkmaya başlaması bu dönemin 10 ila 25 milyon yıl arasına denk geliyor. Brachiopodların, trilobitlerin, eklembacaklıların, yumuşakçaların (mollusca) ve derisidikenlilerin(ekinoderm) diğer sınıflarının ilk ortaya çıktığı zamana işaret ediyor bu aralık.

Kambriyan döneminde farklılaşan canlılar arasında çenesiz omurgalılar da (agantha) vardır. Hayvanlarda bilinen farklı temel vücut yapılarının(Bauplan olarak da bilinir, Almanca yapı planı demektir) çoğunun Kambriyan döneminde (belki de canlılık tarihinin en dramatik uyumsal yayılımı) evrimleştiği açıktır. "Kambriyan patlaması" adı verilen bu farklılaşmanın nedeni zamanında pek çok yoğun tartışmanın konusu olmuştur(Erwin 1991;Lips ve Signor 1992). Bu kadar kısa sürede bu kadar büyük değişiklik nasıl ve niye oluştu? Gregor Wray vd. (1996) DNA dizin farklılıklarını, moleküler bir saat gibi kullanarak , bugün yaşayan hayvan filumlarının, kayıtlarda görüldükten çok daha önce belki de 1000 milyon yıl önce ortaya çıktığını buldular.

Dolayısıyla, ya "patlamadan" önce çoğu hayvanın iskeletleri yoktu ya da çok küçüktü ve Kambriyan öncesi kalıntıları bugüne dek ulaşamadı. Daha önce evrimleşmiş dalların hızlı farklılaşması "Kambriyan patlaması" ile oluşmuştur. Bu farklılaşmaya kabukların ve iskeletlerin evrimi de dahildir. Genetik ve ekolojik nedenler bu çeşitliliği açıklamaya yardımcı olabilir. (Knoll ve Caroll 1999;Knoll 2003). Değişik vücut yapılarının farklılaşmasını düzenleyici(regulatory)genler (örneğin Hox genleri)bu dönemlerde evrimsel değişikliklere uğramış olabilirler. Buna ek olarak Edikaran hayvanlarının soyunun tükenmesi(oksijen seviyesinin düşmesinden kaynaklanmış olabilir), sağ kalanlar üzerindeki çekişme baskısını kaldırarak çeşitlenebilmelerini sağlamıştır;tıpkı dinozorların yok olmasıyla memelilerin çeşitlenmesi gibi. Kanadadaki İngiliz Kolumbiyası'nda yer alan Burgess tortullu şistleri, Kambriyan Hayvanlarının çeşitliliğini kanıtlayan en meşhur fosil yatağıdır. Diğer iki fosil yerinden birisi Grönland'da diğeri Çin'in Yunnan bölgesinde bulunmaktadır:Çin'deki fosil yatağı, Burgess tortullu şistlerinden 10 milyon yıl daha eskidir. Burgess tortullarındaki fosiller, günümüzde bildiğimiz denizel hayvanlara göre, oldukça acayip görünüşe sahiptirler.

Çin'de bulunan Haikouichthys, bir kafatasına sahip gibi görünmektedir ve belki de omurgalı özelliklerini gösteren en eski fosildir. Bu fosil omurgalıların kökenini Kambriyen patlamasına kadar geriye götürmektedir.

"Evo - devo ", Kambriyendeki çeşitlenmeyi kavramamızda bize yardım edebilir: Kambriyen patlamasını ateşleyen nedir ? Hayvanların çeşitlenmesine neden olan şey hakkında üç ana hipotez vardır.

1. Ekolojik etkenler :Bu hipotez, Kambriyen boyunca av-avcı ilşkisinde esas değişim ortaya çıktığını savunmaktadır. Biyolojik komünitelerin dinamiğindeki böyle bir değişme, koruyucu çeşitli kabuk tipleri ve çeşitli haraket tarzları gibi evrimsel uyumların çeşitlenmesine yol açacaktır.

2. Jeolojik etkenler :Örneğin, belkide, kambriyen boyunca atmosferdeki oksijen nihayet yeterli derecede yüksek konsantrasyona ulaşarak hareketli hayvanların beslenme ve aktiviteleri için gerekli olan daha aktif metabolizmayı desteklemiştir.

3. Genetik etkenler : Otuz beş ya da daha fazla olan hayvan şubeleri arasında gözlediğimiz vücut formlarındaki çeşitliliğin çoğu , gelişen embriyoların içerisinde Hox genlerinin konum ve zaman olarak ifade edilişlerindeki varyasyonla ilişkilidir. Böylece hayvanlardaki çeşitlenmenin, düzenleyici Hox kompleks genlerinin evrimleşmesiyle ilişkili olduğunu savunan hipotez mantıklı gelmektedir;. Çünkü bu genler mebriyonik gelişme boyunca morfolojide değişikliklere yol açacaktır. Gerçekten de Kambiryen patlaması biyloji ve gelişim biyolojisinin yeni sentezi olan "evo-devo" alanında çalışan biyologların çoğunun büyük ilgisini çekmektedir. Hayvan filogensi çalışan sistematikçilerin bazıları, mevcut moleküler verileri, Kambriyendeki patlamanın sadece bir defa değil, gerçekte üç kere gerçekleştiği şeklinde yorumlamaktadır.

Görünüşte , Kambriyan patlamasının sonunda , hayvan şubeleri gelişim modelleri bakımından kilitlenmiştir;çünkü, o dönemden sonra farklı gelişim tarzına sahip hiç bir ilave şube ortaya çıkmamıştır.

Tabii, bu, hayvanların evriminin bir durma noktasına geldiğini belirtmez;gelişim mollerindeki varyasyonlar, sürekli olarak vücut yapılarındaki ve işlevlerde ufak değişiklikler ortaya çıkarmakta ve giderek türleşmeye ve şube düzeyinden daha aşağıda yer alan taksonların filizlenmesine neden olmaktadır. Devam eden araştımalar, bu hipotezleri test etmeye yardım edecektir. Fakat, Kambryen patlaması daha az gizemli olsa bile , daha az hayret verici bir olay olarak görünmeyecektir. Son yarım milyar yıl içinde, hayvanların evriminde aslında, eski dizayn üzerinde yeni varyasyonlar meydana gelmiştir.

Moleküler filogenetik çalışmalar, hayvanların tek hücreli choanoflagellatlara yakın olduğunu göstermiştir. Choanoflagellatlar benzeri hücreleri de bulunan süngerler (filum Porifera) aynı zamanda da toplu halde Metazoa olarak bilinen diğer hayvan gruplarıyla kardeştirler. Dairesel simetri gösteren knidaryalar(denizanaları, mercanlar) ve Ktenoforlar, Bilateryaya göre (genellikle ağız açıklıkları, duyu organlarıve beynin bulunduğu bir kafaya sahip olan iki yönlü simetrik hayvanlar)alt dalları oluştururlar. Bilateryanın 3 ana dalı vardır:gastrulasyon sırasında oluşan blastoporun anüsü oluşturduğu Döterostomlar ve blastoporun ağzı oluşturduğu iki grup Protostom. En büyük Föterostom filumu dersisidikenliler(denizyıldızı ve akrabaları) ve kordalılardır(omurgalılar, tunikatlar ve amfioksüs). Protostomlar iki büyük dal oluşturur;Ecdysozoa(eklembacaklılar, nematodlar ve bazı küçük filumlar) ve Lophotrochozoa(yumuşakçalar, halkalı solucanlar, brachiopolar ve çeşitli diğer gruplar).

Kambriyan döneminin (500 milyon yıl önce) sonu kitlesel yok oluşlar ile belirlenmiştir. Doksandan fazla Kambriyan ailesi olan Trilobitlerin sayısı önemli oranda azalmış, derisi dikenlilerin bir kaç sınıfının ise soyu tükenmiştir. Stephan Jay Gould'un (1989) vurguladığı gibi eğer ilk omurgalılar da yok olsalardı biz bugün var olamazdık. Tabi ki bu görüş, sonraki zamanlar içinde geçerli olabilir;eğer atalarımızın soyu yok olan soylar arasında olsaydı, insanlar ve belki de bizim gibi olan hiçbir yaşam formu evrimleşemezdi.