Поздний палеозой – девонский, каменноугольный и пермский периоды общей продолжительностью около 165 млн. лет (416-251 млн. лет) – представлял собой геократический этап истории Земли. Его главной особенностью явилось расширение биосферы за счет освоения континентов. Важнейшим событием стало распространение на континентах наземной растительности, первоначально характеризовавшейся полуводным образом жизни растений (риниофиты). В конце позднего палеозоя наземная растительность получила широкое распространение, и началось углеобразование. Ему благоприятствовало появление голосеменных растений («семенных папоротников»), не связанных с водоемами. Благодаря наземной растительности замедлился влагооборот на континентах, возросла сеть мелких водотоков, ускорились процессы почвообразования. В этих процессах наряду с наземными растениями большую роль играли насекомые. Из других групп членистоногих в наземной фауне беспозвоночных заметную роль играли многоножки и гигантские раки. Из позвоночных в конце девона появляются земноводные (стегоцефалы, другое название – лабиринтодонты). Они могли в течение определенного времени оставаться на суше, но являлись водными животными. В каменноугольном периоде часть стегоцефалов приспособилось к жизни на суше. Другие стали вторичноводными животными. В конце позднего палеозоя появились парарептилии, уже полностью наземные животные.
В составе морской фауны позднего палеозоя утратили господствующую роль трилобиты, граптолиты и некоторые группы головоногих моллюсков. Широкое распространение из беспозвоночных получили брахиоподы, морские лилии, кораллы, мшанки. Для стратиграфии особую ценность представляют гониатиты, принадлежавшие к головоногим моллюскам, и конодонты. В конце палеозоя произошло одно из крупнейших в истории Земли вымираний органического мира. На рубеже перми и триаса вымерло 40-50% семейств, более 70% родов и 95% видов морской фауны. Однако вымирание практически не затронуло насекомых.
Угленакопление стало характерной особенностью позднего палеозоя: в это время образовалось более половины запасов каменного угля. В результате изменилось распределение углерода в оболочках Земного шара: часть этого элемента, выбрасываемого в атмосферу вулканами в виде углекислого и угарного газов, возвращалась в земную кору в виде каменного угля. В океанических впадинах углерод продолжал накапливаться в составе известняков. Благодаря жизнедеятельности скелетной фауны ускорились процессы рифообразования. Захоронение в земной коре огромных масс углерода обусловило некоторое понижение его содержания в атмосфере в виде углекислого газа, что оказало влияние на теплообеспеченность планеты.
Тектоническая жизнь позднего палеозоя характеризовалась сокращением площади океанической коры при соответствующем увеличении площади распространения континентальной коры. На силурийско-девонском рубеже прекратил существование океан Япетус, разделявший Восточно-Европейскую и Северо-Американскую платформы. На западной окраине океанической впадины (на границе с Северо-Американской платформой) были консолидированы Иннуитская и, частично, Аппалачская геосинклинали, на восточной – Грампианская геосинклиналь, ставшая «мостом» между двумя платформами. Таким образом, оказалась консолидированной большая часть Северо-Атлантического геосинклинального пояса.
К юго-восточной окраине Китайской платформы причленилась Катазия, ранее характеризовавшаяся геосинклинальным режимом. Некоторые авторы считают, что в среднем палеозое произошло соединение Китайской и Таримской платформ. Наконец, в среднем палеозое был консолидирован Казахстано-Северотяньшаньский блок земной коры. На рубеже палеозойской и мезозойской эр, по мнению многих ученых, произошло объединение Гондваны и Лавразии в составе Пангеи-2.
Климат позднего палеозоя был значительно теплее современного. В девонском периоде среднегодовая температура на материках составляла 20-30 ºС. Современные полярные области характеризовались умеренным климатом. В начале девона наблюдалась некоторая аридность; во второй половине периода вследствие гумидизации климата она стала сезонной. Такой же климат сохранился в раннекаменноугольной эпохе. Во второй половине карбона произошло значительное похолодание. В позднекаменноугольной эпохе температура на Земли была на 10-15 ºС ниже, чем в начале периода. Ледниковые отложения были повсеместно распространены на территории Гондваны. В пермском периоде произошло резкое потепление: среднегодовая температура воды океана Тетис была близка к 20 ºС. В это время резко проявились различия в степени увлажнения: выделяются зоны аридного и гумидного климата.
Полезные ископаемые позднего палеозоя представлены паралическими угленосными формациями, нефтегазоносными толщами, осадочными месторождениями солей и железа. В жарком влажном климате образовывались месторождения бокситов. С гранитными интрузиями связаны месторождения золота, с ультраосновными – хромита и асбеста.