志留紀(jì)的生物面貌與奧陶紀(jì)相比,有了進(jìn)一步的發(fā)展和變化.海生無(wú)脊椎動(dòng)物在志留紀(jì)時(shí)仍占重要地位,但各門(mén)類(lèi)的種屬更替和內(nèi)部組分都有所變化.如筆石動(dòng)物保留了雙筆石類(lèi),新興的單筆石類(lèi)也很繁盛；腕足動(dòng)物內(nèi)部的構(gòu)造變得比較復(fù)雜,如五房貝目、石燕貝目、小嘴貝目得到了發(fā)展；軟體動(dòng)物中頭足綱、鸚鵡螺類(lèi)顯著減少,而雙殼綱、腹足綱則逐步發(fā)展；三葉蟲(chóng)開(kāi)始衰退,但蛛形目和介形目大量發(fā)展；節(jié)肢動(dòng)物中的板足鱟,也稱“海蝎”在晚志留世海洋中廣泛分布；珊瑚綱進(jìn)一步繁盛；棘皮動(dòng)物中海林檎類(lèi)大減,海百合類(lèi)在志留紀(jì)大量出現(xiàn).
脊椎動(dòng)物中,無(wú)頜類(lèi)進(jìn)一步發(fā)展,有頜的盾皮魚(yú)類(lèi)和棘魚(yú)類(lèi)出現(xiàn),這在脊椎動(dòng)物的演化上是一重大事件,魚(yú)類(lèi)開(kāi)始征服水域,為泥盆紀(jì)魚(yú)類(lèi)大發(fā)展創(chuàng)造了條件.
植物方面除了海生藻類(lèi)仍然繁盛以外,晚志留世末期,陸生植物中的裸蕨植物首次出現(xiàn),植物終于從水中開(kāi)始向陸地發(fā)展,這是生物演化的又一重大事件.
植物登陸成功和有頜類(lèi)的出現(xiàn)是發(fā)生在志留紀(jì)的最重要的生物演化事件.由于劇烈的造山運(yùn)動(dòng),地球表面出現(xiàn)了較大的變化,海洋面積減小,大陸面積擴(kuò)大.作為陸生高等植物的先驅(qū),低等維管束植物開(kāi)始出現(xiàn)并逐漸占領(lǐng)陸地,其中,裸蕨類(lèi)和志留紀(jì)生物化石石松類(lèi)是目前已知最早的陸生植物.在奧陶紀(jì)出現(xiàn)的脊椎動(dòng)物無(wú)頜魚(yú)類(lèi)進(jìn)一步發(fā)展,得到大量繁榮；在志留紀(jì)中期,更先進(jìn)的有頜魚(yú)類(lèi)開(kāi)始出現(xiàn),為隨后魚(yú)類(lèi)等高等脊椎動(dòng)物的大發(fā)展奠定了基礎(chǔ).
志留紀(jì)時(shí),海洋無(wú)脊椎動(dòng)物發(fā)生了重要的更新,繁盛一時(shí)的三葉蟲(chóng)逐漸衰退,板足鱟類(lèi)開(kāi)始興起,是當(dāng)時(shí)海洋節(jié)肢動(dòng)物中個(gè)體最大的種類(lèi).伴隨著陸生植物的發(fā)展,志留紀(jì)晚期還出現(xiàn)了最早的昆蟲(chóng)和蛛形類(lèi)節(jié)肢動(dòng)物.
這個(gè)時(shí)期最大的特點(diǎn)是植物開(kāi)始登上陸地,在海中也出現(xiàn)了有頜骨的魚(yú)類(lèi)--棘魚(yú)類(lèi),棘魚(yú)類(lèi)并演化出了鰓蓋骨,海中有成群的珊瑚聚集生活,最后形成珊瑚礁.
泥盆紀(jì)古地理面貌較早古生代有了巨大的改變.表現(xiàn)為陸地面積的擴(kuò)大,陸相地層的發(fā)育,生物界的面貌也發(fā)生了巨大的變革.陸生植物、魚(yú)形動(dòng)物空前發(fā)展,兩棲動(dòng)物開(kāi)始出現(xiàn),無(wú)脊椎動(dòng)物的成分也顯著改變.
腕足類(lèi)在泥盆紀(jì)發(fā)展迅速,志留紀(jì)開(kāi)始出現(xiàn)的石燕貝目成為泥盆紀(jì)的重要化石.此外,穿孔貝目、扭月貝目、無(wú)洞貝目和小嘴貝目在劃分和對(duì)比泥盆紀(jì)地層中也極為重要.
泡沫型和雙帶型四射珊瑚相當(dāng)繁盛.早泥盆世以泡沫型為主,雙帶型珊瑚開(kāi)始興起；中、晚泥盆世以雙帶型珊瑚占主要地位.
鸚鵡螺類(lèi)大大減少,菊石中的棱菊石類(lèi)和海神石類(lèi)繁盛起來(lái).
正筆石類(lèi)大部分絕滅,早泥盆世殘存少量單筆石科的代表.
竹節(jié)石類(lèi)始于奧陶紀(jì),泥盆紀(jì)一度達(dá)到最盛,泥盆紀(jì)末期絕滅.其中以薄殼型的塔節(jié)石類(lèi)最繁盛,光殼節(jié)石類(lèi)也十分重要.
牙形石演化到泥盆紀(jì)又進(jìn)入一個(gè)發(fā)展高峰,這個(gè)時(shí)期以平臺(tái)型分子大量出現(xiàn)為特征.
昆蟲(chóng)類(lèi)化石最早也發(fā)現(xiàn)于泥盆紀(jì).泥盆紀(jì)生物化石泥盆紀(jì)是脊椎動(dòng)物飛越發(fā)展的時(shí)期,魚(yú)類(lèi)相當(dāng)繁盛,各種類(lèi)別的魚(yú)都有出現(xiàn),故泥盆紀(jì)被稱為 “魚(yú)類(lèi)的時(shí)代”.早泥盆世以無(wú)頜類(lèi)為多,中、晚泥盆世盾皮魚(yú)相當(dāng)繁盛,它們已具有原始的顎,偶鰭發(fā)育,成歪形尾.
早泥盆世裸蕨植物較為繁盛,有少量的石松類(lèi)植物,多為形態(tài)簡(jiǎn)單、個(gè)體不大的草本類(lèi)型；中泥盆世裸蕨植物仍占優(yōu)勢(shì),但原始的石松植物更發(fā)達(dá),出現(xiàn)了原始的楔葉植物和最原始的真蕨植物；晚泥盆世到來(lái)時(shí),裸蕨植物瀕于滅亡,石松類(lèi)繼續(xù)繁盛,節(jié)蕨類(lèi)、原始楔葉植物獲得發(fā)展,新的真蕨類(lèi)和種子蕨類(lèi)開(kāi)始出現(xiàn).
泥盆系最初研究于英格蘭西南部的德文郡（Devonshire）,德文郡的泥盆系由海相沉積巖組成,但在威爾士、蘇格蘭和英格蘭西部,泥盆系卻是巨厚的陸相老紅砂巖.早泥盆世時(shí),北美是一個(gè)低洼的大陸,海水甚少,阿巴拉契亞地槽在泥盆紀(jì)的大部分時(shí)間內(nèi)接受了沉積.這時(shí)期的巖石見(jiàn)于密西西比河谷、大湖區(qū)、加拿大西北部和阿巴拉契亞地區(qū).泥盆紀(jì)的地層在紐約州發(fā)育的最好,這里層序完整,化石豐富.紐約州西部泥盆系出露于亞利桑那、科羅拉多、猶他、懷俄明、愛(ài)達(dá)荷、蒙大拿和內(nèi)華達(dá)州.大部分屬于中、晚泥盆世.泥盆系也出露于不列顛群島、德國(guó)、法國(guó)和蘇聯(lián)；中國(guó)和亞洲的其他地點(diǎn)；南非；澳大利亞和新西蘭；以及南美.在北美,泥盆紀(jì)末以始于中泥盆的一個(gè)造山運(yùn)動(dòng)——阿肯特幕的高潮為標(biāo)記,這次上升,伴有巨大的火山活動(dòng),隆起了從阿巴拉契亞地區(qū)經(jīng)新英格蘭到加拿大的沿海各省的山脈.
氣候顯示泥盆紀(jì)時(shí)是溫暖的.化石記錄說(shuō)明遠(yuǎn)至北極地區(qū)當(dāng)時(shí)處于溫帶氣候.
泥盆紀(jì)的生物以陸生植物的擴(kuò)展為特征,植物從株小無(wú)葉的種到株高達(dá)十二米的樹(shù)狀蕨類(lèi)均有.
海洋無(wú)脊椎動(dòng)物異常豐富,由造礁珊瑚、海綿、棘皮動(dòng)物、軟體動(dòng)物和眾多的腕足動(dòng)物組成.
三葉蟲(chóng)在數(shù)量上極大地減少,然而個(gè)別特大的種卻可大到74 厘米長(zhǎng).
陸地上出現(xiàn)了最早的昆蟲(chóng),還有些淡水蛤類(lèi)和蝸牛.
脊椎動(dòng)物經(jīng)歷了一次幾乎是爆發(fā)式的發(fā)展,淡水魚(yú)和海生魚(yú)類(lèi)都相當(dāng)多,這些魚(yú)類(lèi)包括原始無(wú)頜的甲胄魚(yú)類(lèi)；有頜具甲的盾皮魚(yú)類(lèi)；以及真正的鯊魚(yú)類(lèi).還有與頜連結(jié)起來(lái)身長(zhǎng)達(dá)9 米具重甲的鯊魚(yú)狀的節(jié)頸魚(yú)類(lèi).捷克克倫克志留系與泥盆系地層剖面新的類(lèi)型有肺魚(yú)類(lèi),一種既有腮,也發(fā)育著肺作為輔助呼吸器官的原始類(lèi)型,這類(lèi)魚(yú)的某些代表今天仍然活著,形成用腮呼吸的魚(yú)類(lèi)和用肺呼吸空氣的兩棲動(dòng)物間的一個(gè)重要的環(huán)節(jié).它不但將漂浮囊改變成原始肺,而且這些魚(yú)的某些進(jìn)化到成對(duì)的闊鰭狀的鰭狀肢,使其能夠在水面上生活一個(gè)短時(shí)期,同時(shí)有能在陸地上的有限的運(yùn)動(dòng)能力.
鑒于脊椎動(dòng)物的空前演化,泥盆紀(jì)曾被稱為魚(yú)類(lèi)時(shí)代.最重要的是顯示出從總鰭類(lèi)演化而來(lái)的原始爬行動(dòng)物——四足類(lèi)（四足脊椎動(dòng)物）的出現(xiàn).
泥盆系的有些巖石具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,在阿巴拉契亞地區(qū)產(chǎn)玻璃砂,在安大略、紐約、俄亥俄和印第安納產(chǎn)建筑石料,而北美的許多地方產(chǎn)石油和天然氣.