В этот период выделяют два тектонических этапа: каледонский и герцинский, которые соотносятся с ранним и поздним палеозоем. Рифтогенез сопровождается трансгрессиями и регрессиями моря, а также изменением положения платформ.
Каледонский этап. Трансгрессия моря охватила северные платформы, а на Гондване – лишь северо-восточную часть Австралии и район реки Амазонки. В среднем палеозое на Гондване наступает режим континентального развития, а Северо-Американская и Восточно-Европейская платформ объединяются в материк Лаврентий
В гидросфере становится заметно влияние известковых и других водорослей (для рифея было характерно доминирование планктонных организмов). Это способствует увеличению концентрации в морской среде Са и СО2. Появляются первые многоклеточные и скелетные организмы. С середины палеозоя жизнь из моря выходит на сушу. В конце силура появляются примитивные растения, в конце девона – папортниковые, а позднее голосеменные растения.
Можно считать, что для данного этапа характерно извлечение карбонатов из океанов в виде известняков.
Возрастает биомасса на суше, что проявилось в накоплении мощных толщ биолитов (угля и горючих сланцев). Каменноугольный и пермский периоды называют "великой каменноугольной эпохой". Весьма вероятно, накопление органического углерода было связано с несовершенством древних экосистем на континентах.
Герцинский этап. Присоединение Сибирской платформы к материку Лаврентий завершает объединение северных платформ в материк Лавразия, а горообразование на западе Средиземноморского пояса приводит к соединению Европейской и Африканской платформ. В результате Лавразия и Гондвана образуют суперконтинент Пангея-2. В позднем палеозое рифтогенез затухает, площадь морей сокращается и на суперконтиненте преобладает аридный климат. Пермский период один из самых жарких и сухих периодов палеозоя. На рубеже перми и триаса мощное оледенение охватывает часть Гондваны.
Смена условий сопровождается обновлением органического мира – вымирают древние беспозвоночные животные, а освободившуюся нишу постепенно завоевывают зарождающиеся позвоночные. Начинается эра рептилий, моллюсков, динозавров и расцвета голосеменных, которые будут доминировать в мезозой. Смена видов четко отмечается на рис. 23. На рубеже перми и триаса численность семейств морских животных быстро уменьшается, затем она постепенно возрождается.