Unser bestenfalls fragmentarisches Wissen von der Evolution der Pflanzen beruht ausschließlich auf Fossilien. Zwar hat das gründliche Studium fossiler Funde zu einigen Erkenntnissen geführt, aber die meisten Fossilien sind ja lediglich Abdrücke von Stielen oder Blättern weicher, vergänglicher Pflanzen, die in Sedimentgestein eingeschlossen wurden.
Bäume bilden jedoch eine Ausnahme. Kieselsäure, Quarz und andere Mineralien können das Innere der Gewebezeilen eines Baumes ausfüllen und so die Zellulosewand erhalten.
In vielen Teilen der Erde findet man auf diese Weise entstandene versteinerte Wälder, in denen alle anatomischen Einzelheiten unversehrt geblieben sind. Während der ersten Jahrmilliarde verlief die Pflanzenevolution nur langsam. Einzellige Pflanzen kümmerten in den Urmeeren, während sich über innen allmählich eine Schicht des lebenserhaltenden Sauerstoffs bildete. Sobald genug Sauerstoff das Festland gegen die schädlichen Strahlen der Sonne abschirmte, setzte eine stürmische Entwicklung der Landpflanzen ein.
Die ersten wirklichen Landpflanzen entstanden vor etwa 450 Millionen Jahren. Sie hatten noch keine richtigen Blätter und Wurzeln, doch ging aus ihnen im Mitteldevon die erste Art hervor, die so groß war, dass man sie als Baum bezeichnen kann. Verglichen mit heutigen Waldbäumen, waren diese Baumartigen zwar klein, aber im Oberdevon erreichten Riesenmoose und -farne bereits Höhen von über 30 m.
Die Entwicklung männlicher und weiblicher Gameten und die Fortpflanzung durch Samen anstelle von Sporen waren zwei wichtige stammesgeschichtliche Schritte, die das Pflanzenreich nahe an seine heutige Stufe der Evolution heranführten. In der Karbonzeit traten die ersten Gymnospermen auf, frühe Verwandte der Koniferen, Palmfarne und Ginkgogewächse‚ aber bis zu den Massenausrottungen im Perm vor 280 Millionen Jahren dominierten in den Sumpfwäldern noch niedere Gefäßpflanzen. Bei Beginn der Kreidezeit hatten die Nacktsamer die Vorherrschaft erlangt und nun begann die Entwicklung der Angiospermen, also der Blütenpflanzen, die heute in der Erdflora dominieren. Denn größere klimatische und geologische Veränderungen führten zu einer Ausbreitung der Bedecktsamer und zum Niedergang der Nacktsamer, deren Reich auf die kälteren temperierten und nördlichen Regionen zusammenschmolz, wo sie heute noch vorherrschend sind.