石炭纪陆生生物飞跃发展，海生无脊椎动物也有所更新。
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。
石炭纪的海生无脊椎动物与泥盆纪比较起来，有了显著的变化。浅海底栖动物中仍以珊瑚、腕足类为主。早石炭世晚期的浮游和游泳的动物中，出现了新兴的筳类，菊石类仍然繁盛，三叶虫到石炭纪已经大部分绝灭，只剩下几个属种。
最早发现于泥盆纪的昆虫类，在石炭纪得到进一步的繁盛，已知石炭、二叠纪的昆虫就达1300种以上。陆生脊椎动物进一步繁盛，两栖动物占到了统治地位。早石炭世一开始，两栖动物蓬勃发展，主要出现了坚头类（也称迷齿类），同时繁盛的还有壳椎类。