North Carolina har haft en blandet geologisk historie: fra omkring 600 til 250 millioner år siden var denne stat (og meget andet af hvad der ville blive det sydøstlige USA) var nedsænket under et lavt vandmasse, og den samme situation var for store dele af Mesozoic og Cenozoic Eras. (Det var kun i løbet af Triasperiode det jordiske liv i North Carolina havde en forlænget mængde tid til at blomstre.) Dette betyder dog ikke, at North Carolina var helt beroliget af dinosaurer og forhistorisk liv.
Hypsibema levede i det sene Kridt periode, en af de sjældne strækninger af tid, hvor det meste af North Carolina var over vandet. Det er den officielle statsdinosaur i Missouri, men fossiler af Hypsibema er også blevet opdaget i North Carolina. Desværre dette hadrosaur (duck-faktureret dinosaur) er, hvad paleontologer kalder en nomen dubium: Det var sandsynligvis et individ eller art af en allerede navngivet dinosaur, og fortjener således ikke sin egen slægt.
Annonceret til verden i 2015, Carnufex
(Græsk for "slagter") er en af de tidligste identificerede krokodylomorfer - familien af forhistoriske krybdyr, der divergerede fra arkosaurer i midten Trias periode og førte til moderne krokodiller - og omkring 10 fod lange og 500 pund, bestemt en af de største. Da dinosaurier endnu ikke havde nået det midterste triasiske Nordamerika fra deres forfædres sydamerikanske levesteder, kan Carnufex meget vel have været toppen af rovdyret i North Carolina!Ikke rigtig en dinosaur, og heller ikke en forhistorisk krokodille (på trods af "suchus" i dens navn) var Postosuchus en sprækbenet halvt ton archosaur der varierede vidt omkring Nordamerika i det sene Trias periode. (Det var en befolkning af arkosaurer, der gød de allerførste dinosaurier i Sydamerika for ca. 230 millioner år siden.) En ny Postosuchus-art, P. alisonaeblev opdaget i North Carolina i 1992; mærkeligt nok er alle de andre kendte Postosuchus-prøver blevet fundet meget længere vest, i Texas, Arizona og New Mexico.
De spredte rester af Eocetus, "daggryhvalen" blev opdaget i North Carolina i slutningen af 1990'erne. Dette tidligt Eocene hval, der levede for omkring 44 millioner år siden, besad rudimentære arme og ben, et øjebliksbillede af de tidlige stadier af hvaludvikling før disse semi-akvatiske pattedyr var tilpasset en fuldt akvatisk eksistens. Desværre vides ikke meget om Eocetus sammenlignet med andre forfædre til tidlig hval, såsom den nogenlunde moderne Pakicetus fra det indiske subkontinent.
En nær slægtning til Postosuchus, Zatomus blev navngivet i midten af det 19. århundrede af den berømte paleontolog Edward Drikker Cope. Teknisk set var Zatomus en "rauisuchian" arkosaur; dog opdagelsen af kun et enkelt fossilprøve i North Carolina betyder, at det sandsynligvis er et nomen dubium (det vil sige et eksemplar af en allerede eksisterende archosaur-slægt). Men det ender med at blive klassificeret, Zatomus var sandsynligvis en nær slægtning til en bedre kendt archosaur, Batrachotomus.
North Carolina kan prale af nogle af de ældste geologiske formationer i USA, nogle stammer tilbage til pre-Kambrium gange (for over 550 millioner år siden), hvor stort set alt liv på jorden var begrænset til verdenshavene. Den mystiske Pteridinium var som mange såkaldte "ediacarans" en trilobitlignende væsen, der sandsynligvis levede i bunden af lavvandede laguner; paleontologer er usikre på, hvordan dette hvirvelløse dyr flyttede eller endda hvad det spiste.