顯生宙古生代的晚期，約開始於4.1億年前，結束於2.45億年前，持續時間1.75億年。晚古生代包括泥盆紀、石炭紀和二疊紀。晚古生代時隨著陸地面積的不斷擴大，陸生生物開始發生和繁盛。魚及無頜類廣佈於泥盆紀，兩棲類全盛於石炭紀和二疊紀。植物界從水生發展到陸生，出現瞭裸蕨植物群。孢子植物達到繁盛並在二疊紀晚期出現裸子植物。海生無脊椎動物中出現瞭菊石、有孔蟲和竹節石。同時發生瞭兩次生物集群滅絕：晚泥盆世弗拉斯階和法門階之間的生物量的突然變化以及生態系的更替；二疊紀紀末期的䗴、四射珊瑚、床板珊瑚、三葉蟲以及腕足動物的大部分科屬絕滅，成為劃分古生代與中生代的標志。陸生植物的繁盛，造成地史上大規模煤和油頁巖的堆積。與生物礁伴生的石油、天然氣，與蒸發巖伴生的鉀鹽都是本時期著名的礦產。晚古生代中後期在南半球有廣佈的冰川活動。晚古生代也是各大陸逐漸拼接的時期。由於海西構造階段的一系列運動（見構造階段），北半球各地槽帶結束褶皺成山，主要板塊碰撞形成統一的勞亞古陸。同時，與岡瓦納古陸相聯形成聯合大陸。