無脊椎動物在晚期古生代又有了革新，中期古生代時期繁盛的竹節石已經滅絕；腕足類和珊瑚仍然繁盛，但又演變成許多新的類群和種屬；一種微體原生動物紡綞蟲（□）廣布於晚期古生代的海洋中，成為當時海洋生物中的一個重要特色。在局部地區海百合和苔蘚蟲也繼續達到驚人的繁盛。螺、蚌殼等也有新的發展。
一種新興的原生動物
在中國南方或北方石炭紀和二疊紀的石灰岩層中，常常見到一種像紡織用的梭子（又稱）形狀的小化石。它的個體很小，一般和小米、大米、黃豆、雲豆差不多。因此，需要用放大鏡觀察尋找，找到後，還需要把它從幾個方向切開來觀察。
其實，這種□狀的小化石是一種原生動物叫有孔蟲類的化石，這種有孔蟲能分泌各種形態的多房外殼叫做□，又稱紡綞蟲。
殼由若幹殼圈組成，殼圈圍繞中心的一個殼室（稱胎室，多為圓球形）旋轉，外殼圈層層包裹內殼圈通常形成紡綞形、凸鏡形、球形等。組成殼圈的壁稱為旋壁，旋壁如果切成薄片在顯微鏡下觀察可分為許多類型，是□化石鑒定的主要依據。
化石發現於早石炭世晚期，自中石炭世開始繁盛，二疊紀末全部滅絕，其演化迅速，地理分布很廣，是劃分石炭紀、二疊紀地層很好的標準化石。
晚期古生代珊瑚化石的新特色
石炭紀時雙帶型珊瑚個體的中央部分出現了一種新的軸部構造，是重要的演化特征。軸部構造的一種是由原生隔壁之一延長至中心，其末端膨大或是由許多長隔壁至中央扭結構成的軸部構造稱中軸如石柱珊瑚，為塊狀或笙狀複體，外壁完整，個體呈多角柱形或圓柱形；長隔壁在軸部膨大形成；鱗板小，床板平或向上凸起成帳篷狀。
另一種軸部構造是由於床板中央的隆起部分參與軸部構造而形成比較複雜的網狀構造即中柱。中柱由輻板（長隔壁延伸至中心部分並與原隔壁脫離，在橫切麵上成輻射狀）、中板（原生隔壁之一末端膨大而形成）、軸床板（床板中央的隆起部分）組成。如多壁珊瑚為塊狀複體，個體常呈不規則多角柱狀，外壁常消失，個體邊緣鱗板呈泡沫狀，其內緣與隔壁相接處有明顯的內牆，為隔壁加厚層。中柱呈蛛網狀有軸板、中板及輻射板。
由軸部構造加上橫板帶和鱗板帶即為三帶型珊瑚，三帶型代表了四射珊瑚發展的高級階段。一直到二疊紀，仍然多屬於複體三帶型珊瑚較多，單體類型少見，雙帶型幾乎絕跡，到二疊紀末，四射珊瑚全部滅絕。
晚期古生代腕足類化石的新特色
到了石炭紀，石燕類已經有所衰退，但仍有一些代表在地層中發現。長身貝類的興起是一個重要特征。長身貝類的背殼下凹，腹殼強烈拱起，兩殼通常向前延伸很遠並作屈膝狀。如：
大長身貝：殼體很大，橫卵形。腹殼高隆，背殼凹，耳翼大，輕微凸起。殼麵有近於平行的放射紋或脊。殼後部有稀疏的同心紋。
方格長身貝：殼方形或橢圓，凹凸式。腹殼高凸並成屈膝狀，具中槽。近平行的放射線發育與後部出現的同心線相交成網格狀。
分喙石燕：雙凸，鉸合線等於或短於殼寬。具分叉式增多的放射線，中槽淺，中隆不高。齒板長而平行。中、晚石炭世。
二疊紀時，石燕貝類已退居次要地位，而長身貝類則大大興盛起來，長身貝類種屬很多，演變也迅速，在晚二疊世還出現了奇異變形。如焦葉貝，其腹殼內有一與殼麵直立的中隔板，縱貫全殼，兩側還有許多與其垂直的側隔板。隨著古生代結束，大部分腕足類也就銷聲匿跡了。
天空最早的征服者——昆蟲
地球上最早具有飛行器官的動物，是遠在2.7億年以前的晚石炭世的有翅昆蟲。晚石炭世的昆蟲一般比現代的昆蟲大得多。例如有一種晚石炭世的古蜻蜓，它的一個翅膀就有30多厘米長，展翅時的寬度有80厘米長。但這兩對翅膀和身體相關聯的關節很不完善，隻能作上下拍動，在棲息時隻是平放在身體兩側，不像現代的昆蟲可以折疊起來放在體背上。