石炭纪(3.54——2.95亿年前)
在上石炭纪的末期找到了最古老的可以算作爬行动物的骨骼化石。这时也出现了最早的带有硬壳的蛋。最早的无翼的昆虫在下泥盆纪时代就出现了，到上石炭纪已有有翼的昆虫。这些昆虫还无法折叠它们的翅膀(如蜻蜓等)，石炭统煤系地层中发现超过500种的昆虫。
石炭纪海中的主要鱼类是活动灵便的辐鳍鱼类。海百合是石炭纪出现的新生物，它们属于棘皮动物。其它留下许多化石的动物有苔藓虫动物门的动物和希瓦格蜓和纺锤蜒，后两者是单细胞动物，但它们可以达到10厘米大。石炭纪时在陆地上生活的唯一的脊椎动物是两栖动物，但它们还保存着相当的水生习性。由于它们在陆地上还没有竞争对手，因此它们的种类非常多，有些一直长到6米长。
二叠纪(2.95——2.5亿年前)
早二叠世的气温被认为是相当低的，其后才逐渐改变。巨大的沙漠覆盖了盘古大陆(Pangea)的西半部，南半球广泛的含煤建造则标示一种温湿的气候。
二叠纪末生了有史以来最严重的大灭绝事件，估计地球上有96%的物种灭绝，其中95%的海洋生物和75%的陆地脊椎动物灭绝。三叶虫、海蝎以及重要珊瑚类群全部消失。陆栖的单弓类群动物和许多爬行类群也灭绝了。这次大灭绝使得占领海洋近3亿年的主要生物从此衰败并消失，让位于新生物种类，生态系统也获得了一次最彻底的更新，为恐龙类等爬行类动物的进化铺平了道路。
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