มหายุคพาลีโอโซอิก (อังกฤษ: Paleozoic Era; จากภาษากรีก palaio (παλαιο), "เก่าแก่" และ zoe (ζωη), "ชีวิต", หมายถึง "ชีวิตโบราณ")) เป็นมหายุคแรกสุดจาก 3 มหายุคในบรมยุคฟาเนอโรโซอิก ซึ่งเป็นยุคทางธรณีกาลของโลก ช่วงเวลาของมหายุคพาลีโอโซอิกอยู่ในช่วง 542-251 ล้านปีมาแล้ว และแบ่งย่อยออกเป็นหกยุคเรียงตามลำดับเก่า-ใหม่ ได้แก่ ยุคแคมเบรียน ยุคออร์โดวิเชียน ยุคไซลูเรียน ยุคดีโวเนียน ยุคคาร์บอนิเฟอรัส และ ยุคเพอร์เมียน