在地球生物進化史上，寒武紀是非常重要和關鍵的時代。寒武紀是古生代的第一個紀，約開始於5.43億年前，結束於4.9億年前。基本就是在寒武紀開始後的短短數百萬年時間裡，包括現今動物幾乎所有門類祖先在內的大量多細胞生物突然出現，但在更為古老的地層中卻沒有找到這些動物的祖先化石，在生物考古學上，這些突然出現的種類繁多的生物化石，代表著在那個時期地球上突然出現了眾多的生物物種，這被古生物學家稱作寒武紀生命大爆發。地球上最早的生命大約誕生在近40億年前，而絕大部分時間都是以單細胞形式存在，像是細菌和藍綠藻之類的。演化緩慢，幾乎沒有留下肉眼可見的痕跡。但是到了寒武紀時期，生命的形式突然變得多樣化起來，我們現在熟悉的幾乎所有動物的祖先（節肢動物、軟體動物、腕足動物、環節動物和原始的脊椎動物等）一下子都出現了。
在寒武紀一開始，就出現寒武紀生命大爆發的第一幕（約5.4億年前），出現大量個體微小的原始硬殼無脊椎動物（稱為小殼動物群），例如軟舌螺、單板類、腹足類、喙殼類、腕足類和分類位置不明的稜管殼、齒形殼等。
約5.3億年前為寒武紀生命大爆發的主幕，在中國雲南澄江早寒武世地層中發現的澄江動物群是它的一個窗口，生動地再現了5.3億年前海洋生命的壯麗景觀和各門類動物的生態和原始特徵。澄江動物群有多孔動物門、櫛水母動物門、線形蟲動物門、鰓曳動物門、動吻動物門、葉足動物門、腕足動物門、軟體動物門、節肢動物門、棘皮動物門、半索動物門、尾索動物門、脊椎動物門等古老代表。以節肢動物、蠕蟲、海綿動物為主，脊椎動物最原始的魚的出現極為重要。它們展示出生態的多樣性，並有真正的食肉動物存在。各個動物門類幾乎是在很短時間內突然出現的。
當然，這裡的「很短的時間」，並不是用幾十年、一百年來衡量的，而是用古生物學家的時間觀念來衡量的。在古生物學家看來，幾千萬年都是很短的時間，而寒武紀生命大爆發，在古生物學家眼中，就像非常短時間生物界的大爆炸一樣。但實際上持續了2000萬年到2500萬年左右。
進化論的反證達爾文在《物種起源》中也提到了這一現象，對此也迷惑不解，並且認為這會被用作反對其進化論的有力證據。因為按照達爾文進化論，生物進化經歷了從水生到陸地、從簡單到複雜、從低級到高級的漫長演變過程。寒武紀大爆發顯然和達爾文的理論不匹配。
不過他也拿出了可信的解釋：寒武紀的動物一定是來自前寒武紀動物的祖先，它們也是經過很長時間的進化過程才出現的，這些動物化石出現的突然性和前寒武紀動物化石的缺乏，是由地質記錄的不完全或是由於老地層淹沒在海洋中的緣故造成的，相信會有新的地質證據會解釋這一現象。
也曾有觀點認為，寒武紀生命爆發是一種假象。但上世紀80年代以來，隨著越來越多化石被發現，人們更傾向於認為寒武紀大爆發是真實事件。但是這些化石證據也是只能告訴我們細節，卻不能告訴我們原因。寒武紀大爆發為何發生、爆發的過程又是怎樣的？
猜想：「收割者」說
有研究者認為，收割原則可以來解釋這次生命大爆炸。這裡的收割，就是收割莊稼的收割，我們可以簡單地認為是食物鏈上遊的生物。當一個地方沒有收割者的時候，這個地方一定是被少數幾種物種佔據的，它們沒有天敵，生存環境也比較穩定，所以形態在很長時間裡都沒什麼變化。而一旦出現收割者，收割者會更願意捕食數量多的物種。這就為那些本來數量不太多的物種騰出了生活空間，讓它們有機會發展壯大，生物的多樣性也就這麼豐富起來了。
科學家假設，在寒武紀早期收割者出現了，它們以藍綠藻為食。收割者吃掉的藍綠藻越多，也就騰出了更多的生存空間。改變了藻類生存的生物環境，也促進了藻類的變異，讓生物變得更加多樣，就這樣相互影響著，整條食物鏈開始快速延伸，最終在短短2000萬年裡，誕生了大量的新物種。那最早的收割者是誰呢？科學家猜測，很可能只是軟體動物，所以它們在地層裡沒辦法留下化石。不過也有一些間接證據，比如藍綠藻留下的生存痕跡在寒武紀早期的地層裡比較常見，而在之後的地層裡就不多見了。這說明在寒武紀早期，可能有收割者出現，吃掉了大量的藍綠藻，所以之後的地層裡藍綠藻數量銳減。
也有研究者推測是地理環境的劇變導致了生物種類的劇增。地球地質的變化有兩種，一種是漫長的不變，另一種是突發的劇變。小行星撞擊、地震、火山爆發，都是突然發生的局部地質劇變，這會引起地理環境突然變化，而地理環境劇變，會讓生物進化的速度突然加快。
大爆發受控於大氣和海洋的氧氣含量
雖然關於寒武紀生物大爆發的原因有很多推論，但比較受到廣泛認同的是地球大氣層中氧氣突然增多造成的。因為大量藍綠藻的呼吸作用，地球大氣中終於有了足夠的氧原子，它們變成了氧氣和臭氧。充足的氧氣能讓多細胞生物呼吸，而新出現的臭氧層又能阻止太陽紫外線的殺傷作用，這就具備了多細胞生物出現的條件。富足的氧氣使得生物有了大爆發的條件，而良好的氣候環境和生態環境則為生物爆發提供了生命物資基礎。
研究人員通過高精度的地球化學研究數據發現，在寒武紀大爆發高峰時期，海水含氧量快速增加，與動物化石多樣性變化高度吻合。而在距今5.14億年之後的大約200萬年間，海水普遍缺氧，巧合的是這一時間內發生了全球性寒武紀動物群的大滅絕。
不過，關於寒武紀生命大爆發仍有多道謎題等待科學家解答。生物的演化與地球地質、氣候、環境等各方面的演變都互有關聯，不同學科的研究成果交叉探討，才能破解寒武紀生命大爆發的真相。