Fossile leddyr er vanlige i avleiringer fra tidsperioden kambrium til nåtiden. Leddyrenes skall gjør at de lett har latt seg oppbevare som fossiler. Mange var sjølevende. Det ser ut til at leddyrene erobret landjorden samtidig med de første landplantene.
Flere grupper av leddyr er kjent:
- Trilobittene var karakteristiske sjødyr i eldre paleozoikum, og over 10 000 arter er kjent.
- Sjøskorpionene, som også døde ut i perm, kunne ha en kroppslengde på nærmere 2 meter, og er de største leddyrene som er kjent.
- Dolkhalenes utvikling kan følges fra kambrium til nåtiden.
- Krepsdyr er kjent fra kambrium og i alle senere geologiske systemer.
- Muslingkreps har spilt en betydelig rolle i de marine avleiringene.
- Tifotkrepsene først ble betydelige i mesozoikum.
- De første edderkoppdyrene forekommer i silur, men de var sannsynligvis vanndyr.
- Fra tiden landplantene også koloniserte landjorda kjennes edderkoppdyr og vingeløse insekter (muligens også vingete former) fra landavsetninger.
- Insekter med vinger hadde en nærmest eksplosiv utvikling i karbon, og har siden hatt en enestående posisjon i landjordens fauna.