Ранний палеозой (кембрий, ордовик, силур), продолжавшийся около 126 млн. лет, закончился 416 млн. лет назад. В течение этого хроноинтервала продолжалось развитие морской скелетной фауны беспозвоночных. Соответственно резко возросла роль палеонтологии, игравшей весьма скромную роль в историко-геологических исследованиях докембрия. В кембрии в составе органического мира главную роль играли трилобиты и археоциаты. В ордовике видовое разнообразие значительно возросло: получили распространение головоногие моллюски, стрекающие, брахиоподы, иглокожие, мшанки. В конце ордовика произошло массовое вымирание морской фауны, а затем вновь продолжилось увеличение её разнообразия. Во второй половине раннего палеозоя появились позвоночные: бесчелюстные, а позднее рыбы. Для стратиграфии раннего палеозоя важнейшими группами органического мира были трилобиты, граптолиты, головоногие моллюски. В конце раннего палеозоя органический мир начинает осваивать континенты: появляются ракоскорпионы и первые полуводные растения – риниофиты и плауновидные.
Тектонический режим раннего палеозоя характеризовался наличием платформ (континентов) с земной корой континентального (сиалического) типа и океанических впадин с земной корой океанического (симатического) типа. В течение раннего палеозоя несколько увеличились размеры Сибирской платформы за счет причленения ряда регионов Алтае-Саянской складчатой области. Вдоль границ платформ и океанических впадин располагались подвижные пояса (геосинклинали).
К раннепалеозойским платформам Северного полушария относятся Восточно-Европейская, Сибирская, Китайская, Северо-Американская. В Южном полушарии располагался суперконтинент Гондвана, включавший в себя Африку, Южную Америку, Австралию, Антарктиду, полуострова Индостан и Аравийский. На платформах тектоническая жизнь и палеогеография раннего палеозоя контролировались трансгрессивно-регрессивной цикличностью. Первая половина кембрия на платформах характеризовалась преобладанием трангсрессий, вторая – преобладанием регрессивного режима. В начале ордовика началась новая трансгрессия, продолжавшаяся до середины силура. Во второй половине силура и раннем девоне преобладал регрессивный режим. В целом, ранний палеозой (особенно ордовик) характеризовался преобладанием трансгрессивных обстановок, что дает основание считать его талассократическим этапом развития Земли.
Океанами были Япетус, Палеоазиатский, Палеотетис, Палеопацифика, возможно, Арктический. Геосинклинальными поясами, располагавшимися на границах платформ и океанических впадин, были Северо-Атлантический, Средиземноморский, Урало-Монгольский, Западно- и Восточно-Тихоокеанский. В геосинклинальных поясах контролирующим фактором являлись фазы каледонской складчатости: салаирская во второй половине кембрия, таконская – во второй половине ордовика, позднекаледонская – во второй половине силура. В результате этих фаз к концу раннего палеозоя существенно изменилось распределение на Земном шаре континентов и океанических впадин.
Салаирская фаза проявилась, главным образом, в пределах АССО, несколько снизив тектоническую активность этой территории. Таконская фаза консолидировала Иннуитскую и, отчасти, Аппалачскую геосинклинали на западной окраине океана Япетус. На восточной окраине океана в Грампианской геосинклинали эвгеосинклинальный режим существовал на кембро-ордовикском рубеже. В ранне-среднеордовикское время он сменился миогеосинклинальным. На силурийско-девонском рубеже в результате позднекаледонской складчатости Северо-Атлантический геосинклинальный пояс прекратил существование. Консолидация Грампианской и Иннуитской геосинклиналей создала «мост», соединивший Восточно-Европейскую и Северо-Американскую платформы. Благодаря этому возник материк Лавренция и закрылся океан Япетус.
На территории Казахстана в Урало-Монгольском поясе с кембрия до раннего силура существовал эвгеосинклинальный режим, а во второй половине силура в результате позднекаледонской складчатости сформировалась область земной коры континентального типа – каледониды Казахстанско-Северотяньшаньского блока. Еще одна область каледонской складчатости к концу раннего палеозоя образовалась восточнее оз. Балхаш (хребты Чингизтау, Тарбагатай, Джунгарский Алатау). В пределах Уральской ветви геосинклинальный режим сформировался в начале ордовика. В последующее время существовали западная и восточная зоны, характеризовавшиеся, соответственно, мио- и эвгеосинклинальным режимом.
Средиземноморский, Западно- и Восточно-Тихоокеанский геосинклинальные пояса характеризовались преобладанием миогеосинклинального режима. Таким образом, в течение раннего палеозоя был, в основном, консолидирован Северо-Атлантический геосинклинальный пояс и сократились размеры Урало-Монгольского. Из океанов закрылся Япетус и сократились размеры Палеоазиатского океана.
Климат раннего палеозоя был значительно теплее современного. В кембрии и первой половине ордовика преобладает экваториальный климат с некоторым уклоном в аридность: формировались каолинито-гидрослюдистые коры выветривания, происходило соленакопление. Во второй половине ордовика произошло похолодание, сопровождавшееся гумидизацией. В конце орджовика имело место оледенение Гондваны, закончившееся к концу этого периода. Силур характеризовался четко выраженной климатической поясностью. Экваториальный климат был на Новой Земле, Северном Урале, в Алтае-Саянской области. Северный аридный пояс охватывал север Северной Америки, южный аридный пояс – её центральную часть, часть Восточно-Европейской платформы и запад Австралии. Областью холодного климата являлись Анды, где обнаружены тиллитоподобные толщи.
Важнейшими полезными ископаемыми раннего палеозоя были каменная соль, фосфориты, нефть. В нижнекембрийских отложениях Кемеровской области имеется крупнейшее в России месторождение марганца. С гранитоидами раннего палеозоя связаны месторождения золота, с ультраосновными интрузиями – месторождения хромитов.