对史前化石的统计发现，在长达5亿多年的显生宙里，平均每百万年有2至4个科级的生物消亡，这是属于正常的进化时期。但在5个短暂时期，即奥陶纪末(约4.4 亿年前)、晚泥盆世(约3.75 亿年前)、二叠纪末(约2.5 亿年前)、晚三叠世(约2.08亿年前)和白垩纪末(6500万年前)，每百万年的灭绝率高达10～20 个科。当时，全球广泛的生物灭绝现象涉及大多数门类和生态环境(包括陆地、海洋)，灭绝速率和灭绝量远远高于正常值，这就是生物的集群灭绝，或称生物大灭绝。中生代白垩纪末的那次大灭绝事件最引人关注，因为称霸一时的恐龙就在那个时期彻底灭绝了。但规模最大、影响最深远的大灭绝则是发生在二叠纪末的那次。
奥陶纪末大灭绝
奥陶纪末大灭绝由前、后两幕组成，其间相隔约50 万～100万年。第一幕是生活在温暖浅海或较深海域的许多生物都灭绝了，灭绝的属占当时属总数的60%～70%，灭绝种数更高达80%。第二幕是那些在第一幕灭绝事件中幸存的较冷水域的生物又遭灭顶之灾。科学家认为气候变化及其相关事件是造成这两幕生物灭绝的主要原因。当时在南半球(冈瓦纳大陆及其边缘)发育着广阔的大陆冰盖，当冰盖形成并达到最高峰时，全球大气和海水温度大幅度急剧下降，处于高纬度海域的浅、冷、高密度海水向下及向赤道方向迁移，从而产生了富氧和富营养的冷深水流，海洋环境发生了强烈变化，大洋水体发生翻转。冰盖形成还使全球海平面大幅度下降约50～100 米。同时，海水的碳、氧稳定也发生显著游移，水圈和大气圈中二氧化碳含量降低，引起强烈的冰室效应，使大陆冰川继续扩大，这些事件的综合效应导致许多生活于温暖水域的生物灭绝。在50 万～100 万年的冰期内，深海里几乎没有多少生物，它们主要生存于凉(冷)水域的浅海海底，繁盛的是与少量笔石、三叶虫相伴生存的赫南特贝腕足动物群。随着大陆冰川的快速消融，大气和海水温度迅速回升，海平面也很快回升，全球规模的海侵和缺氧事件发生了，海中有毒水体随上升洋流侵漫到陆表海域，那些凉(冷)水域中的动物几乎无处藏身，只有少量属种侥幸逃脱，幸存至志留纪，成为崭新生物群繁衍的主力军。
奥陶纪末大灭绝后消亡的典型海洋无脊椎动物 赫南特贝、正常笔石、小达尔曼三叶虫等动物在奥陶纪海洋中十分繁盛，均在奥陶纪末大灭绝后消亡。
晚泥盆世大灭绝
在晚泥盆世大灭绝事件中，灭绝的科占当时科总数的30%，灭绝的海生动物达70多科，其灭绝情况可能比陆生生物更为严重。这次灭绝事件的时间范围较宽，规模较大，受影响的门类也多。当时浅海的珊瑚几乎全部灭绝，深海珊瑚也部分灭绝，层孔虫几乎全部消失，竹节石全部灭亡，浮游植物的灭绝率也达90%以上，腕足动物中有三大类灭绝。此次大灭绝中受影响最大的是那些生活在暖水中的物种，因此很多科学家认为造成这次大灭绝事件的原因，是一次与奥陶纪末相似的全球变冷事件。根据这一理论，晚泥盆世的大灭绝是由冈瓦纳大陆的另一次冰川作用引发的，巴西北部这一时期的沉积物中有证据支持这一假设。此期间的彗星撞击事件曾被认为可能是这次大灭绝的诱因。
泥盆纪繁盛的海洋动物 腕足动物无洞贝、3种层孔虫和菊石等动物繁盛在泥盆纪海洋中，均在泥盆纪晚期大灭绝后消亡。
二叠纪末大灭绝
二叠纪末大灭绝是规模最大的一次生物灭绝事件，海洋中的种级生物灭绝量高达96%以上，灭绝科数占当时动物科总数的50%左右，两栖类75%的科和爬行类80%的科都灭绝了。受到影响的有许多古生代繁盛的重要生物门类，如皱纹珊瑚、床板珊瑚、三叶虫、等，均遭全军覆没;曾长期统治浅海底域的腕足动物，如长身贝目、戟贝亚目、正形贝目全部消亡，连深水海域里的放射虫等也惨遭重创。陆生植物的厄运不亚于海洋生物，不同气候带的特征植物群消亡;陆生四足动物和两栖动物也灭绝大半。一些研究证明，这次大灭绝事件与全球海洋发生广泛的缺氧事件和大规模的海侵事件相关连，但这可能仅是海洋生物灭绝的一个起因。全球规模的火山喷发引起大范围的气候变化也是大灭绝的因素之一。曾经提出的天体撞击说一度被否定，但现在看来，当时发生灭绝的时限很短，不能排除陨石碰撞地球的可能性。
二叠纪末大灭绝后消亡的海洋无脊椎动物。一些腕足动物的特化类型繁盛于二叠纪最晚期的浅海中，二叠纪末大灭绝后都未能幸存。
三叠纪末大灭绝
虽然三叠纪末大灭绝造成的影响相对轻微，是5次大灭绝中最弱的，但1/3 的科是在此时期灭绝的。其中海洋生物有20%的科灭绝，陆地上大多数非恐龙类的古蜥目、兽孔目爬行动物和一些大型两栖动物都灭绝了。
这次大灭绝事件发生在一个气候长期变化、海平面快速波动，并伴有发生地内外灾难的背景下。晚三叠世联合古陆上许多地区出现的干旱，无疑在这次大灭绝中扮演了重要的角色，但灭绝的突然性表明干旱并非造成灭绝的直接原因。一次快速而大幅度的海退-海进旋回可能会造成海洋生物的大灭绝，海平面下降导致生境缩小，紧接着快速上升又导致海洋缺氧，但这个假说无法解释近乎同时发生的陆生生物的灭绝。有人曾用流星撞击地球来解释这场灾难，但对流星撞击所留下的陨石坑测年发现，其时间远在三叠纪-侏罗纪之前。还有人认为是中大西洋的玄武岩浆大规模喷发造成这一结果，广泛的火山喷发释放出大量气体，致使大气中二氧化碳含量迅速增加，导致全球变暖。但对古土壤的研究表明，当时二氧化碳的增加量被高估了，与火山活动有关的原因仍待进一步研究。
白垩纪末大灭绝
白垩纪末大灭绝标志着中生代的结束。称霸一时的恐龙以及菊石、双壳类中的固着蛤类和叠瓦蛤类完全灭绝了，中生代相当繁盛的六射珊瑚、大型底栖有孔虫和超微浮游生物也受到很大摧残。这次大灭绝事件冲击了海洋和陆地的生态系统，现代最重要的成礁生物六射珊瑚，从114 属降至43 属，灭绝率达62%。这次事件灭绝的科达科总数的26%左右，灭绝的属超过半数，灭绝的种则达75%左右，超微浮游生物从100多种降至4种。因此，白垩纪末是典型的生物大灭绝时期。
侏罗纪、白垩纪称霸一时的恐龙,在白垩纪末的大灭绝中全部消亡。白垩纪末大灭绝事件的特点是灭绝的突发性，因此很多科学家认为是外星体撞击地球的结果。由于在许多地区白垩纪末的海相或陆相黏土层剖面中，均发现异常量的铱和颗粒状冲击石英，从而提出了碰撞假说，撞击释放的泥沙碎屑挡住了阳光，致使光合作用停止，食物网接近崩溃，从而导致全球的生物大灭绝。
