蕨类植物在地球地质年代中的古生代极为繁盛。其中最为繁盛的是古生代中的泥盆纪和石炭纪。
古生代是地质时代中的一个时代，开始于约5.42亿年前，结束于2.51亿年前，包括早古生代的伊迪卡拉纪、寒武纪、奥陶纪、志留纪和晚古生代的泥盆纪（距今4.05亿年前～3.55亿年前）、石炭纪（距今3.55亿年前～2.95亿年前）、二叠纪（距今约2.99亿年前～约2.5亿年前）。
一般认为，古代和现代生存的蕨类植物的共同祖先，都是距今4亿年前的古生代志留纪末期和下泥盆纪时出现的裸蕨植物。裸蕨植物在下、中泥盆纪最为繁盛，在它们生存的时期里，衍生出来的种类很多，形式也复杂。裸蕨植物远在晚志留纪或泥盆纪已经登陆生活，由于陆地生活的生存条件是多种多样，这些植物为适应多变的生活环境，而不断向前分化和发展。
石松植物是蕨类植物中最古老的一个类群，在下泥盆纪就已出现，中泥盆纪时，木本类型已分布很广，到石炭纪为极盛时代，形成了几乎遍布全球的高大的蕨类森林。到二迭纪则逐渐衰退，而今只留下少数草本类型。石炭纪和二叠纪因有蕨类森林而成为地质历史上的重要成煤期。
真蕨植物最早出现在中泥盆纪，到二迭纪时，大多数随二迭纪末期的生物大灭绝事件而灭绝。在中生代三迭纪和侏罗纪时，又演化发展了一系列的新类群，是恐龙的主要食物来源，其中一些至今生存。
