到了中期古生代時期，無脊椎動物也有著明顯的變化，古杯類、海林檎類幾乎滅絕；角石類和三葉蟲也顯著減少；筆石和腕足類繼續發展繁育，但其組成成分和硬體結構已經向著新的方向演變。此外，還有珊瑚、牙形石、竹節石、層孔蟲等都是中期古生代海洋中的主人，它們有的在奧陶紀時就出現和興起，到中期古生代則更加繁榮起來。
單筆石的時代——誌留紀
筆石到誌留紀明顯地向著新的方向演變，誌留紀筆石最主要的特征是單筆石的興起，單筆石隻有一個筆石枝，它的胞管隻在筆石枝的一側，另一側沒有胞管。
早誌留世，筆石一般以單枝雙列胞管（雙筆石類，如柵筆石）和單枝單列（單筆石類，如單筆石及耙筆石）並存為特點。中誌留世單枝雙列胞管的筆石即已絕跡，隻剩下不多的單筆石類，其中如弓筆石，筆石枝卷曲成弓形並在胞管口伸出了幼枝。晚誌留世筆石更加衰落；至泥盆紀筆石隻留下少數代表化石了。
腕足類的大發展
在早期古生代的基礎上，中期古生代腕足類進一步向著新的方向演化，並成為中期古生代海洋中主要的動物群。
誌留紀的腕足類以五房貝類的極度繁榮為特征，如早、中誌留世的五房貝，其殼麵光滑，具不多的同心線，腹喙彎曲，超掩背喙。化石上常可見由殼內中隔板在殼麵形成的裂縫。
泥盆紀是腕足類最繁盛的一個時代，並以石燕貝類為主，石燕貝類主要特征是背殼內有螺旋狀腕骨稱腕螺。這種腕螺的錐尖指向後方的兩側，因而使殼向兩側伸展，真像一對生有“翅膀”的燕子。
珊瑚蟲的發展
珊瑚蟲在中古生代大量繁殖於溫帶和熱帶海洋中，它們用它靈敏的觸手捕捉食物，送入口裏，食物在體腔中消化，殘渣從口中排出，口又是肛門，體腔就是腸——所以叫腔腸動物。
珊瑚蟲的外胚層產生的石灰質硬體形成千姿百態的珊瑚樹，它們既可以營單體生活，也可以營群體生活，群體的在一棵珊瑚樹上就有千萬隻珊瑚蟲在一起，過著集體單幹的生活，無數棵“珊瑚樹”，可以堆積成珊瑚島，中國南沙群島、東沙群島就是一種珊瑚島。
竹節石
竹節石是一種海生動物，於奧陶紀時出現，在誌留紀、泥盆紀的中期古生代時期極為繁盛，廣布於整個海洋，在中期古生代末期即滅絕了。中國南方各省如雲南、廣西的泥盆紀地層中就有許多竹節石化石。
竹節石的殼體通常長度隻有0.1～2厘米左右，最長的也隻有8厘米。殼體呈細長的圓錐形，輻射對稱，成分為鈣質。殼的尖端為原始胎室——初房，初房的形態有鈍錐形、尖錐形。有的屬種於初房頂端發育有一個細長的尖刺叫頂刺。殼中擴大的一端為殼口。大多數類型殼表麵有平行殼口的輪環——橫環。橫環渾圓，角狀或波狀，與橫環相交的還有分布均勻的縱肋。比橫環和縱肋細弱的分別為橫紋和縱紋。它的隔壁和頭足類角石不一樣，隻在接近殼頂的殼體內部存在，將殼體頂端分為若幹殼室。
一種已經滅絕的腔腸動物——層孔蟲
在地史中古海洋淺海區的海底曾經生存過一種以固著為生的古腔腸動物——層孔蟲。層孔蟲的骨骼常常形成巨大的礁體，因此是古海洋中重要的造礁生物之一。
層孔蟲的群體形態變化非常大，但大多數呈層狀、塊狀、柱狀或樹枝狀，小的還不及1厘米，大的有2米。層孔蟲最早出現於寒武紀，不過那時這個家族十分弱小，幾乎不為人們所注意，奧陶紀到泥盆紀才是它們繁衍的黃金時期，此後這個家族又開始走向衰落，最後在白堊紀末滅絕於全球性的生物災難之中。
由於層孔蟲早在6700萬年前滅絕了，所以古生物學家隻能依據它的硬體遺骸的構造，來與其他生物進行比較。因此過去在很長的一段時間內被認為是藻類、有孔蟲類、海綿動物、苔蘚動物、珊瑚或頭足類。現在絕大多數古生物學家把它歸於腔腸動物水螅綱。
盡管層孔蟲群體的外形多變，但它的骨骼隻有兩種類型：一種呈水螅型構造類型，它的骨骼是由許多密集的同心狀層以及垂直於同心狀層的支柱組成的。這種骨骼的組織形式，和現代生活在海洋中的一種造礁生物——水螅綱的千孔蟲極其相似。所以層孔蟲被認為是水螅類的動物。另一種骨骼形式是軸管狀構造類型，它是帶有橫板的中心軸管及密布在軸管周圍的泡沫狀組織以及體管組成的。這種骨骼組織中的軸管形式和某些珊瑚類居住的管穴極相似，如笛管珊瑚。有軸管類的層孔蟲最初出現於誌留紀，但那時隻有很少幾種成員，到泥盆紀時才特別豐富。
層孔蟲的骨骼組織形式（包括層、支柱、泡沫組織、軸管等）在地史中的變化是較大的，骨骼組織由致密狀的原始層，以及分布於原始層的內、外部的叢狀層所組成的層孔蟲類，大多數分布於奧陶紀，誌留紀就很少了。從地質分布來看，這種類型應該是比較原始的類型；由橫細纖維和管狀組織組成的層孔蟲類以及由細點狀和細孔狀組成的層孔蟲類，它們出現的地質時代比較晚，最早出現於誌留紀，但繁衍於泥盆紀，因此認為是比較進步的類型。不過各類層孔蟲之間究竟存在著何種親緣關係，由於它們是一類早已滅絕的古動物，目前的研究還存在著許多困難，也沒有得到可靠的結論，因而不得而知。另一方麵，層孔蟲之所以引起人們的興趣，那是因為它是一種古造礁動物，有時還發現它與油田的分布存在著一定的關係。