Только в девонском периоде начинается мощное развитие суши и сокращение площади океанов. Суша полностью осваивается наземными растениями (сначала псилофитами, затем папоротниками и даже голосеменными), что дает возможность для переселения из океана таких групп животных, как скорпионы, ракообразные, черви, насекомые, а к концу периода — и амфибии. Видимо, фауна девонского периода была однообразной на громадном протяжении всей суши.
В каменноугольном периоде, или карбоне, успешно развивается сухопутная фауна — появляются многочисленные пауки, примитивные представители насекомых (из них тараканы дожили до наших дней). Из амфибий можно отметить развитие панцирноголовых, или стегоцефалов, в том числе и гигантских лабиринтодонов. Судя по отпечаткам вымерших ныне растений, от Америки и Шпицбергена до Центральной Европы господствовали влажные тропические леса, в которых и жили стегоцефалы. Но в отложениях Австралии, Южной Африки и Южной Америки встречаются совсем другие представители флоры, указывающие, что здесь в те времена был сухой и холодный климат. С этим гармонируют и следы оледенений. Вместо тепло- и влаголюбивых форм амфибий для южных материков в конце карбона были характерны сухолюбивые представители первых рептилий.
В последнем периоде палеозойской эры — пермском на суше уже обитали многочисленные и разнообразные амфибии и рептилии. Последние развивались в процессе приспособления к сухому климату и были представлены травоядными парейозаврами и хищными териодонтами. В пермских отложениях, обнаруженных на Северной Двине отечественными палеонтологами, оказалась богатая фауна. Это стегоцефалы (амфибии) — двинозавры с наружными жабрами, препятствовавшими выходу их на сушу, примитивные рептилии — котилозавры, хищные иностранцевии и пермоксинодоны, объединившие в себе признаки и рептилий, и млекопитающих. В конце периода многие палеозойские группы вымерли.
Триасовый период начинает собой мезозойскую эру развития животного мира. Это было время господства суши. По данным геологии и палеогеографии, тогда существовало два гигантских материка, разделенных океаном Тетис. В тот период широкое распространение получают голосеменные растения и рептилии. В отложениях его найдены остатки черепах, ихтиозавров, примитивных динозавров, крокодилов и птерозавров. Очень важно отметить, что в триасовом периоде появились первые настоящие млекопитающие. Они были представлены мелкими неспециализированными первозверями и сумчатыми. Среди насекомых тогда уже существовали гигантские стрекозы. Вымирание примитивных видов продолжалось. Так, из рыб вымерли палеозойские акулы и кистеперые, из амфибий — большинство древних стегоцефалов.