Отложения кембрия и ордовика практически не сохранились в регионе: они были размыты в следующем периоде силуре (440417 млн. лет назад), когда море отсюда ушло. В то время Восточно-Европейская платформа заняла приэкваториальное положение и вплотную приблизилась к другому континенту Лаврентии.
В девоне (417354 млн. лет назад) они столкнулись, образовав единый континент Еврамерику. На их границе возникла огромная горная система. Фундамент платформы снова начал прогибаться, и в Подмосковье хлынули воды Уральского океана. Климат тогда был жарким. Здесь в девонских отложениях находят остатки панцирных рыб и конодонтоносителей. В Московской области эти отложения на поверхность не выходят, но достигают огромных мощностей (до 900 м) и сложены песками, глинами, известняками и доломитами (осадочными карбонатными породами) с прослойками гипса и каменной соли: последняя здесь является основным полезным ископаемым девона.
В карбоне, или каменноугольном периоде (354292 млн. лет назад), Восточно-Европейская платформа в составе Еврамерики переместилась в зону северных субтропиков. Огромная горная система, возникшая на предыдущем этапе геологической истории, тогда практически разрушилась и превратилась в цепь высоких холмов. С востока сюда приблизился континент Казахстания, а вслед за ним и Сибирский континент. Уральский океан сузился и теперь напоминал небольшой пролив. Почти вся платформа, за исключением наиболее выступающих её частей, была затоплена очень тёплым неглубоким Среднерусским морем. От исчезающего Уральского океана его отделяла цепь меридионально расположенных островов, впоследствии вошедших в состав Уральских гор.
Тёплое каменноугольное море было густонаселено: на дне обитали крупные фораминиферы фузулины (их известковые раковинки по форме и размерам напоминали рисовые зёрна), двустворчатые и брюхоногие моллюски, трилобиты, разнообразные иглокожие (морские ежи и морские лилии), брахиоподы, в том числе огромные гигантопродуктусы, чьи раковины были покрыты длинными иглами. В толще воды плавали головоногие моллюски с прямыми и завитыми многокамерными раковинами (родственники современных наутилусов), крупные акулы, кистепёрые и первые костистые рыбы палеониски. Возвышались рифы, построенные разнообразными кораллами и мшанками. Климат был влажным, поэтому по берегам этого моря росли леса из гигантских лепидодендронов (родственников современных плаунов), древовидных родственников хвощей (археокаламитов), папоротников и птеридоспермов, которые внешне напоминали те же папоротники, но размножались семенами. Эта растительность дала начало угольным месторождениям.
Отложения карбона распространены в Московской области повсеместно, их общая мощность достигает 500 м. Они сложены известняками, мергелями (осадочными породами смешанного глинисто-карбонатного состава) и глинами. Теперь их, как правило, перекрывают более молодые слои, но местами они обнажаются эрозионными врезами рек и повсеместно вскрыты карьерными выработками.
Каменноугольный период дал региону множество полезных ископаемых, в частности, крупные запасы угля Подмосковного буроугольного бассейна, которые люди ещёдо недавнего времени интенсивно разрабатывали. Кроме того, здесь есть глины различного состава (огнеупорные, тугоплавкие, легкоплавкие, мылкие и песчаные), издавна применявшиеся для изготовления кирпича и керамики, в том числе гжельские глины, на базе которых возник знаменитый фаянсовый промысел. Есть в каменноугольных отложениях области и железная руда.
В пермском периоде (292251,4 млн. лет назад) все континенты снова объединились в единый суперконтинент Пангею. Восточно-Европейская платформа всё ещё находилась в зоне северных субтропиков. С запада она была затоплена узким морским проливом, с востока то почти пересыхающим, то вновь разливающимся Среднерусским морем, соединявшим Палеотетис с Бореальным океаном. Нынешний подмосковный регион в то время был в основном приподнят и представлял собой постепенно нараставшую сушу, которая немного потеснилась только в середине перми, уступив морю, пришедшему с севера, но к концу периода опять отвоевала пространство. Море прекратило своё существование, оставив после себя огромные запасы каменной соли. Пермские отложения на территории Подмосковья не сохранились (в это время она была приподнята, как было сказано выше), а о том, что происходило тогда, известно по находкам из прилегающих областей (в основном Владимирской и Ярославской).
В триасе (251,4205,1 млн. лет назад) Восточно-Европейская платформа переместилась в зону умеренного климата. Причем поверхность современного Подмосковья продолжала оставаться сильно поднятой: господствовала суша, поэтому породы этого возраста на ней не сохранились. Их можно обнаружить, например, в Ярославской и Вологодской областях: там найдена богатая фауна водных и наземных позвоночных.
В юре (205,1142 млн. лет назад) зарождающийся Атлантический океан и только что раскрывшийся океан Тетис раскололи Пангею на два крупных континента: Гондвану (в Южном полушарии) и Лавразию (в Северном). Восточно-Европейская платформа вошла в состав последней вместе с Северной Америкой, Гренландией, Казахстаном, Сибирью, Китаем и Индокитаем. От Гренландии и Северной Америки она была отделена неглубоким проливом, на юге которого располагался архипелаг крохотных микроконтинентов, затем ставших частями Западной Европы. В ранней юре, как и в триасе, Подмосковье оставалось приподнятой сушей. Тогда в каменноугольных известняках, выступающих на поверхность, шли процессы карстообразования. А в средней юре суша стала опускаться, появилась сеть речных долин и крупных озёр.
Об обитателях того периода стало известно благодаря сравнительно недавней (1989 г.) находке отложений этого возраста в карьере Пески (Коломенский район Московской области) геологами Александром Арешиным и Павлом Фокиным, нашедшими в его отвалах остатки акул, двоякодышащих рыб и черепах мезозойского облика. Вскоре выяснилось: костеносные породы заполняли карстовые полости в каменноугольных известняках. Они как бы законсервировались, избежав размыва пришедшим в конце средней юры морем. Это стало сенсацией: ведь в Подмосковье обнаружили целое сообщество позвоночных, в их числе костные и двоякодышащие рыбы, акулы, химеры (хрящевые рыбы), амфибии, водные черепахи, ящерицы, динозавры, крокодилы и даже древние млекопитающие. Все они (кроме динозавров и млекопитающих) были обитателями большого пресного озера, куда стекались мелкие реки. Динозавры оказались родственниками небольших двуногих динозавров-хищников велоцирапторов. Найдены и остатки юрских растений, росших на берегах озера (папоротников, беннеттитов и саговников голосеменных растений, внешне похожих на пальмы, хвойных и др.).
В конце средней юры Подмосковье вновь залило мелководное море, просуществовавшее до конца юрского периода. В этом широком море-проливе, соединяющем Тетис с Бореальным океаном, обитали двустворчатые и брюхоногие моллюски, головоногие моллюски (аммониты и белемниты), брахиоподы, морские ежи и лилии, акулы и другие рыбы, а также крупные хищные ящеры плезиозавры и ихтиозавры.
Юрские континентальные отложения представлены галечниками, песками и глинами. Они распространены в пределах бывших речных долин и озёр, где их мощность иногда достигает 100 м. В них найдены небольшие запасы бокситов и бурого угля. Морские отложения того времени сложены в основном чёрными глинами, содержащими желваки (стяжения) фосфоритов, из которых производят ценное сельскохозяйственное удобрение.
В меловом периоде (14265,5 млн. лет назад) на просторах современной Московской области суша много раз чередовалась с морем. Когда оно наступало, то приходило с юга, из закрывающегося тёплого океана Тетис. В водоёме обитали двустворчатые моллюски, характерные для позднеюрских морей, но аммониты были уже другие часть из них переселилась сюда из Тетис. Затем тёплое море отступило, появилось другое, сообщающееся уже с Бореальным океаном, а потому холодное и малонаселённое. В конце раннего мела на его месте возникла обширная суша с сетью речных долин: по их берегам росли древовидные папоротники, хвощи и саговники, были здесь и недавно появившиеся цветковые растения, однако основу растительности составляли секвойи (высочайшие хвойные деревья, в настоящее время растущие лишь на небольшой территории в американском штате Аризона). До конца мела море несколько раз наступало и уходило, всё время перемывая собственные отложения.
Меловые отложения Подмосковья могут достигать больших мощностей до 150 м. Они сложены в основном чёрными фосфоритовыми глинами, песками, песчаниками и трепелами (пористыми породами, образованными кремнёвыми скелетами крохотных одноклеточных водорослей диатомей). Местами они обнажены эрозионными процессами и карьерными выработками. Основные полезные ископаемые мелового периода фосфориты и трепелы (используются как сорбент).