Nord-Carolina har hatt en blandet geologisk historie: fra omtrent 600 til 250 millioner år siden, denne staten (og mye annet av det som ville bli sørøstlige USA) var nedsenket under et grunt vannmasse, og den samme situasjonen var for store deler av Mesozoic og Cenozoic Epoker. (Det var bare i løpet av Triassperiode det jordiske livet i Nord-Carolina hadde en lengre periode på å blomstre.) Dette betyr imidlertid ikke at North Carolina var helt berøvet for dinosaurer og forhistorisk liv.
Hypsibema levde i løpet av sent cretaceous periode, en av de sjeldne strekningene med tiden da det meste av Nord-Carolina lå over vann. Det er den offisielle statsdinosauren i Missouri, men fossiler av Hypsibema har blitt oppdaget i North Carolina også. Dessverre dette hadrosaur (duck-fakturert dinosaur) er det paleontologer kaller en nomen dubium: det var sannsynligvis et individ eller art av en allerede navngitt dinosaur, og fortjener dermed ikke sin egen slekt.
Annonsert til verden i 2015, Carnufex (Gresk for "slakter") er en av de tidligste identifiserte krokodylomorfene - familien av forhistoriske reptiler som divergerte fra arkosaurer i løpet av midten
trias periode og førte til moderne krokodiller - og omtrent 10 fot lange og 500 pund, absolutt en av de største. Siden dinosaurer ennå ikke hadde kommet seg til det midtre trias-Nord-Amerika fra deres forfedre, søramerikanske habitat, kan Carnufex godt ha vært topp-rovdyret i Nord-Carolina!Ikke helt en dinosaur, og heller ikke en forhistorisk krokodille (til tross for "suchus" i navnet), var Postosuchus en lekbein, halvt tonn arkosaurer som varierte vidt over hele Nord-Amerika i løpet av sent trias periode. (Det var en befolkning av arkosaurer som gyte de aller første dinosaurene, i Sør-Amerika, for rundt 230 millioner år siden.) En ny Postosuchus-art, P. alisonaeble oppdaget i North Carolina i 1992; merkelig nok er alle de andre kjente Postosuchus-prøvene blitt avdekket mye lenger vest, i Texas, Arizona og New Mexico.
De spredte restene av Eocetus, "daggavalen", ble oppdaget i Nord-Carolina på slutten av 1990-tallet. Dette tidlig eocen hval, som levde for rundt 44 millioner år siden, hadde rudimentære armer og bein, et øyeblikksbilde av de tidlige stadiene av hvalutvikling før disse semi-akvatiske pattedyrene hadde tilpasset seg en fullstendig vannlevende eksistens. Dessverre er ikke mye kjent om Eocetus sammenlignet med andre forfedre til tidlig hval, for eksempel den omtrent moderne pakicetus fra det indiske subkontinentet.
En nær slektning av Postosuchus, ble Zatomus navngitt på midten av 1800-tallet av den berømte paleontologen Edward Drinker Cope. Teknisk sett var Zatomus en "rauisuchian" arkosaur; oppdagelsen av bare et enkelt fossilprøve i Nord-Carolina betyr imidlertid at det sannsynligvis er et nomen dubium (det vil si et eksemplar av en allerede eksisterende archosaur-slekt). Imidlertid var Zatomus sannsynligvis en nær slektning av en bedre kjent arosaur, Batrachotomus.
North Carolina kan skryte av noen av de eldste geologiske formasjoner i USA, noen stammer tilbake til pre-Cambrian ganger (for over 550 millioner år siden) da stort sett alt liv på jorden var begrenset til verdenshavene. Den mystiske Pteridinium, som mange såkalte "ediacaraner", var en trilobittlignende skapning som sannsynligvis bodde i bunnen av grunne laguner; paleontologer er usikre på hvordan dette virvelløse dyret beveget seg eller hva det spiste.