石炭紀是地殼運動非常活躍的時期，因此古地理面貌發生了很大變化。在這個時期，氣候分化的現象非常明顯。北部古大陸是溫暖濕潤的聚煤區，岡瓦納大陸是寒冷的大陸冰川沈積環境。氣候分區導致動物和植物地理分區的形成。
石炭紀是地殼發展史上重要的造山期，地殼中分布最廣的晚古生代海西山系的雛形基本形成於石炭紀。早石炭世末的蘇臺德運動是晚古生代最重要的構造變動，使北美的阿帕拉欽地槽、西歐的萊茵河海西地槽、歐亞交界處的烏拉爾地槽的主體部分發生褶皺，形成山系。西伯利亞地臺以南的廣大地槽區，大致可以以中天山至內蒙古自治區南部為界。地槽北部以石炭紀陸相為主，蘇臺德運動也明顯存在。石炭紀最引人註目的古氣候問題是石炭紀末二疊紀初岡瓦納大陸大規模的冰川活動，持續了5000萬年，屬於極地大陸冰蓋型。
最早的爬行動物之壹，也是目前能確認的最早的爬行動物，通常體長約20厘米，體尾細長。在石炭紀，它們只能次於巨型兩棲動物和節肢動物，靠靈巧和敏捷生活。森林蜥蜴的外貌應該和現代蜥蜴相當接近。它有鋒利的小牙齒，應該以早期的昆蟲為食，在巨型昆蟲生活的年代是極小的物種。
蠑螈是石炭紀的代表性生物。它們是大型食肉兩棲動物，體長超過2米，屬於已經滅絕的“齒類”。與現有的兩棲動物不同，蠑螈像爬行動物壹樣渾身長滿鱗片，需要到水下繁殖後代，有點類似於今天的青蛙。
它保存並重組了許多魚類祖先的特征，強壯的四肢可以支撐並運輸身體離開水面。厚實結實的脊柱可以防止身體因重量而下垂。此外，還利用退化的魚顎骨發育出了壹只初步的耳朵，因此向導可以聽到空氣傳播的聲音。
蜘蛛鱟是目前發現的最古老、最大的蜘蛛。起初，蜘蛛鱟並不被認為是壹種寬翅鱟，而是壹種非常大的蜘蛛。蜘蛛馬蹄蟹的發現歷史可以追溯到1970。當時，正常標本出土於阿根廷聖路易斯省巴焦維利茲組的壹個巖層中，可能是壹個湖泊或沖積平原。它是由業余化石收藏家埃內斯托·青藤蛇發現的。十年後，阿根廷古生物學家馬裏奧·胡尼根發表的研究將這種看起來像蜘蛛的超大型節肢動物歸入蜘蛛目。
棘皮鱷在中生代被稱為須鯨，因為它的主要獵物是魚蝦等中小型水生動物，吃法與今天的濾食性須鯨相似。因此也被稱為被鯨魚吞食的鱷魚。
無刺短吻鱷是壹種大型史前鱷魚。雖然只發現了頭骨，但根據現今鱷魚的頭身比，古生物學家推測其體長超過10米，體重約6噸。
棘皮類鱷魚的下顎類似於鵜鶘，鼻子和嘴巴又長又平，類似於蓋子。然而，少數牙齒的頜骨非常薄，類似於墊圈，表明它們支撐著類似於喉嚨的育兒袋。上頜牙長2 ~ 3厘米，缺少大牙。它們通過體型和鱗片來保護自己，天敵包括皺紋龍。由於頭相當重的遊泳者速度不快，化石被恩斯特·斯特羅姆的團隊挖出，在1944年被智人炸到九米。從石炭紀晚期到二疊紀早期，它們生活在南美洲的巴西。
祖先單拱獸是早期的閉拱動物，生活在距今約3.06億年前的石炭紀晚期，是已知最古老的閉拱動物之壹。
祖先單拱獸出現在石炭紀晚期，是已知最古老的閉拱動物，也是最早的蛇頸龍科動物。身長50厘米，下顎開合角大，牙齒小而尖，趾爪有力，在與森林蜥蜴和油頁巖蜥蜴的競爭中占據絕對優勢，並逐漸發展成為早期羊膜動物，是所有單孔目動物和哺乳動物的祖先，將生物學的發展推向了壹個新的階段。
擁有巨脈的蜻蜓是石炭紀最耀眼的明星。作為象征性的昆蟲，它們的形象多次出現在古生物研究雜誌上。這只蜻蜓的翼展接近1米，像壹只小鷹！它們在外表上與今天的蜻蜓沒有什麽不同。它們有巨大的眼睛，有利於搜索復雜的環境，靈活的六肢有利於抓握，發達的口器有利於叮咬其他昆蟲和小型兩棲動物。在它們巨大翅膀的幫助下，它們可以以每小時60公裏的速度飛行，和賽馬、灰狗壹樣快。由於客觀因素，巨脈蜻蜓在二疊紀完全滅絕。