Во время наступившего каменноугольного, или карбонового, периода обстановка на планете существенно изменилась. Продолжалось сближение континентов, сформировавших Лавразию. Движение Гондваны в южном направлении привело к тому, что Южный полюс оказался в пределах континента. Это было в раннем карбоне, а вот в позднем карбоне расстояние между Лавразией и Гондваной настолько сократилось, что можно говорить о возникновении нового супергигантского континента — Пангеи.
Как и прежде при сближении материков, тектонические движения осложнили рельеф земной поверхности. Снова в океанах близ материков возникли протяжённые вулканические островные дуги. Наряду с приморскими низменностями, занятыми озёрами и дельтами рек, существовали межгорные и предгорные низменности и возвышенности, расчленённые густой сетью рек.
Растения продолжали заселять континенты. Среди них появились типичные представители каменноугольного периода, в том числе древовидные плауновые — лепидодендроны. В высоту они достигали 30—40 м. Широко распространились древовидные папоротниковые — птери-доспермы. Среди них были как древесные формы, так и кустарники и лианы. В конце карбона появились первые хвойные растения.
На суше господствовали земноводные животные — стегоцефалы. Появились первые древние рептилии — котилозавры. Среди них были и хищные, и растительноядные, и насекомоядные животные.
Среди морской фауны первенство принадлежало рыбам, но всё более многочисленны стали беспозвоночные, например кораллы и брахиоподы.
В начале карбона на планете господствовал экваториальный и тропический климат со среднегодовой температурой 22—25° С, а местами 25-30° С.
На обильно увлажнённых низменностях располагались леса, состоящие из гигантских древовидных плаунов, хвощей и папоротников. Густое переплетение высоких кустарников, деревьев и лиан создавало непроходимые заросли и сумеречные дебри.
В высоких широтах близ полюсов климат напоминал современный субтропический, но без прохладной зимы. Даже на полюсах средняя годовая температура не опускалась ниже 10— 15° С. Деревья, растущие в полярных областях Земли, отличались от своих тропических сородичей тем, что у них не было раскидистых крон и толстых стволов. У них были прямые стволы, толщина которых зависела от широты местности. Чем южнее, тем стволы становились толще.
Во второй половине каменноугольного периода природа сильно изменилась. Это было связано как с продолжающимся образованием Пангеи, так и с похолоданием климата. Изменилась и атмосфера. Содержание углекислого газа в ней стало почти в 2 раза меньше, чем в раннем карбоне.
С похолоданием изменилась наземная растительность высоких широт. Теплолюбивые виды исчезают, и их место занимают другие, способные переносить холодные зимы, например кордаиты. В полярных широтах Южного полушария появились своеобразные папоротники — глоссоптерии. Но растительность в южной полярной области вскоре исчезла. Похолодание было настолько сильным, что там возникли ледники. Ледники существовали в Южной Африке, где удалось выделить по крайней мере четыре центра оледенения, в Южной Америке, Индии, Австралии и в Антарктиде. За пределами огромного ледникового щита располагались приледниковые степи.
Температура в полярных районах то понижалась, то повышалась, что отражалось на площади ледникового покрова. Во время отступания ледников климат становился умеренным, низменности покрывались густыми зарослями папоротников.
Земля в позднем карбоне была очень похожа на современую: существовали приблизительно такие же климатические зоны и области, как и в настоящее время. За полярными кругами был очень холодный климат, сходный с современным климатом Антарктиды и Гренландии. Рядом располагались умеренные пояса, далее к экватору они сменялись субтропиками, тропикамии и, наконец, экваториальным поясом. В тёплом климате произрастали густые леса, состоящие из лепидодендроновых, каламитов, птеридоспермиди древовидных папоротников. В тёплых морях тропического и экваториального поясов жили кораллы, брахиоподы и другие теплолюбивые организмы. Там же располагались протяжённые рифовые постройки.
В пермском периоде вновь проявили себя тектонические движения, сопровождающиеся интенсивным вулканизмом. В результате на суше поднялись новые горы.
Гондвана, большая часть которой располагалась в южнополярном районе, переместившись на север, соединилась с Лавразией. В местах состыковки континентов выросли горы Аппалачи и Уральские, горные массивы Центральной Азии. К этим континентам присоединились многие микроконтиненты, и только Китайский континент продолжал самостоятельную жизнь и отделялся от Пангеи океаном Палеотетис.
Тектоническая активность в пермском периоде способствовала возникновению динамичного и контрастного рельефа. Горы и горные массивы располагались на краях литосферных плит, в местах их столкновения. Между горами располагались равнины и низменности, разделённые увалистыми возвышенностями и расчленённые густой речной сетью. В межгорных котловинах располагались озёра, а в предгорные впадины выносились обломочные породы.
В конце перми вымерло подавляющее большинство палеозойских морских беспозвоночных животных. Исчезли четырёхлучевые кораллы, табуляты, фузулиниды и почти все наутилоидеи, древние морские ежи и лилии. Изменились и водные позвоночные. Сократилось число рыб.
Крупные изменения коснулись и населения суши. Хвощи, папоротники и плауны утратили своё ведущее положение. Им на смену пришли более высокоорганизованные голосеменные растения, такие, как цикадовые, хвойные и гинкговые. Под сильным натиском рептилий земноводные постепенно утрачивали своё значение. Исчезли и примитивные амфибии. На это повлияли скорее всего природные условия. Климат стал суше, сократились водные пространства.
На смену земноводным пришли крокодилопо-добные лабиринтодонты, которые способны были переносить сухие сезоны. Эти животные жили в неглубоких озёрах и широких поймах рек. Одни из них обладали слаборазвитыми конечностями и могли только плавать, а другие имели сильные и крупные конечности, которые позволяли им передвигаться по суше и во время сухих сезонов переползать из высохших водоёмов в озёра.
В тропиках и субтропиках располагались гигантские пустыни и полупустыни. Омывавшие их моря имели повышенную солёность и являлись крупнейшими солеродными бассейнами.
В сторону полюсов пустыни сменялись ландшафтами очень влажного климата умеренных широт. Здесь господствовали кордаиты, которые обладали годичными кольцами нарастания, совсем как современные деревья умеренного пояса. С течением времени влажный прохладный климат сменяется более тёплым, и это не замедлило сказаться на растительности, животном мире и характере осадочных пород.
