晚古生代包括泥盆纪、石炭纪和二叠纪，距今4—2.3亿年，经历1.7亿年。 加里东运动以后，陆地面积比以往扩大，地势起伏也更为明显，因而对气候、生物和环境都发生很大影响。
泥盆纪时的陆生植物——蕨类植物。逐渐广泛分布，征服大陆。到晚泥盆纪已有森林出现。石炭纪和二叠纪时期，森林面积更大，成为地球上重要的造煤时期，二叠纪出现了裸子植物，据统计，石炭、二叠纪的煤炭占总储量的70％。
泥盆纪为“鱼类时代”，并出现了陆生脊椎动物，石炭二叠纪时，各种形态奇特的古两栖类大量滋生繁殖，被称为“两栖动物时代”。
石炭纪晚期至二叠纪晚期，又一次世界性的地壳运动发生了，称为“海西运动”，我国的天山、阴山直至大兴安岭山系，都是在这次运动中形成的。
此时整个陆地几乎是一块完整的大陆，称为“联合大陆”，海洋围绕在四周。
晚古生代在南半球，南美洲和非洲的南半部，南极洲、印度和澳大利亚东南部出现大规模的冰川，形成地球历史上第三次大冰期。
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