与泥盆纪相比，蜓类是石炭纪海生无脊椎动物中最重要的类群，而腕足动物尽管在类群上减少，但数量多，依旧占相当重要地位，头足类则以菊石迅速发展为主。
在石炭纪晚期，脊椎动物演化史出现一次飞跃，从此摆脱了对水的依赖，以适应更加广阔的生态领域，以北美宾夕法尼亚早期地层中的林蜥为代表。生活在陆上的昆虫，如蟑螂类和蜻蜓类，是石炭纪突然崛起的一类陆生动物，它们的出现与当时茂盛的森林密切相关，其中有些蜻蜓个体巨大，两翅张开大者可达70cm。
石炭纪的植物以石松类，有节类、真蕨类等为主。石炭世早期，植物仍是一些原始的蕨类，只能石英单一的海滨低地环境，植物地理分区也不明显。晚石炭世早期，植物开始空前繁荣，大型的石松类植物形成沼泽森林。晚石炭世时，由于大陆气候明显分异，出现了不同气候条件下的各种不同的植物群，其中冈瓦纳大陆以舌羊齿植物为主，属种单调，反映南方大陆寒冷的气候特点。
