石炭纪气候分异现象十分明显，北方劳亚古陆气候温暖湿润，陆地上出现了众多沼泽和湖泊。冈瓦纳古陆为南极区域，成为寒冷的大陆冰川沉积环境。气候分带导致了动、植物地理分区的形成。
无脊椎动物以珊瑚、腕足类、菊石类为主；三叶虫大部分绝灭，只剩下几个属种；出现了新兴的筳类。
两栖动物达到极盛，被称为两栖动物时代（包括石炭纪和随后的二叠纪）。石炭纪晚期，冈瓦纳古陆内部出现差异升降，形成陆内裂谷。
石炭纪晚期劳亚古陆植物在温暖湿润的气候下进一步发展。蕨类植物（孢子植物，喜水）因而迅速填满大地，形成了最原始的森林。这样即有植物又有水的环境为植食性的昆虫提供了生存繁衍的最佳良机。
昆虫类进一步发展。在生存竞争中，昆虫开始向着体形小、食量少、繁殖力强的方向进化。
爬行动物最早出现于石炭纪晚期的沼泽森林。爬行动物属于四足总纲的羊膜动物，是对蜥形纲及合弓纲除鸟类及哺乳类以外所有物种的通称。由于它的胚胎在产于陆地上的羊膜卵中发育，使其繁殖和发育摆脱了对外界水环境的依赖，是真正的陆生脊椎动物。这与两栖动物是截然不同的。
爬行动物分为无孔亚纲、下孔亚纲、调孔亚纲、鳞龙下纲和初龙下纲。下孔亚纲分为盘龙目和兽孔目。
无孔亚纲中的杯龙是现在所有爬行动物的祖先。
下孔亚纲也被称为似哺乳爬行动物，包含羊膜动物中所有与哺乳类关系较近的物种，分为盘龙目和兽孔目，是第一群有不同牙齿的四足动物，这些不同牙齿包括犬齿、臼齿、以及门齿。
盘龙目：早期的似哺乳爬行动物，是出现于石炭纪晚期的第一批爬行动物之一。
盘龙目的始祖单弓兽是最早的下孔亚纲类动物。盘龙目是第一批在地球陆地上占据优势地位的羊膜动物，它们在石炭纪晚期占据主要地位。盘龙目体积庞大、四肢成躺卧状态、冷血、大脑很小。它们是那个时代陆地上最大的动物，可达3米长。
石炭纪末期发生了小冰河时期。南方的冈瓦纳古陆为当时的南极，冰期发生时，冰盖大面积延伸。冰期使得北方劳亚古陆原本温暖湿润的气候变得干冷起来。喜欢温暖湿润气候的蕨类植物数量大大减少，而裸子植物（种子繁殖）发展较快，这为爬行动物的发展提供了食物来源。所以爬行动物和裸子植物能够在劳亚古陆迅速发展，因为它们都是真正摆脱了水的影响的新一代动植物。
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