Edellisen jakson kuluessa tapahtunut kalojen ilmaantuminen merkitsi merellisen elollisuuden evoluution taitekohtaa. Tästä ajankohdasta lähtien maaeliöstön evoluutio käy yhä tärkeämmäksi. Ja tämän kauden alkaessa olosuhteet ovat ensimmäisten maaeläinten ilmestymistä ajatellen lähes ihanteelliset.
220.000.000 vuotta sitten monet mantereiset maa-alueet, muiden muassa enin osa Pohjois-Amerikkaa, olivat vedenpinnan yläpuolella. Maata peitti rehevä kasvillisuus; jakso oli ennen kaikkea saniaisten aikakausi. Ilmassa oli yhä hiilidioksidia, mutta sen määrä oli vähenemässä.
Pian tämän jälkeen Pohjois-Amerikan keskiosa joutui veden alle, ja sinne muodostui kaksi suurta sisämerta. Sekä Atlantin että Tyynenmeren rannikkoylängöt sijaitsivat heti nykyisten rantaviivojen takana. Ennen pitkää nämä kaksi merta yhdistyivät sekoittaen erilaiset elollismuotonsa keskenään. Ja näiden merieläimistöjen yhdistyminen merkitsi merellisen eliömaailman nopean ja maailmanlaajuisen taantumisen alkua ja seuraavan—maaeliöstön—kauden avautumista.
210.000.000 vuotta sitten peittivät lämminvetiset arktiset meret suurimman osan Pohjois-Amerikkaa ja Eurooppaa. Eteläiset napavedet tulvivat Etelä-Amerikkaan ja Australiaan, kun taas sekä Afrikka että Aasia nousivat hyvin korkealle.
Merten ollessa laajimmillaan sattui yhtäkkisesti uusi evolutionaarinen kehitystapahtuma. Yllättäen ilmaantuivat ensimmäiset maaeläimet. Näitä maalla tai meressä elämään kykeneviä eläimiä oli lukuisia lajeja. Nämä ilmaa hengittävät sammakkoeläimet kehittyivät niveljalkaisista, joiden uimarakko oli kehittynyt keuhkoiksi.
Merten suolavesistä ryömi maalle etanoita, skorpioneja ja sammakoita. Sammakot kutevat vielä nykyäänkin veteen, ja niiden poikaset ovat aluksi pieniä kaloja, nuijapäitä. On hyvä syy nimittää tätä ajanjaksoa sammakoiden aikakaudeksi.
Varsin pian tämän jälkeen ilmestyivät ensimmäiset hyönteiset, ja yhdessä hämähäkkien, skorpionien, torakoiden, kotisirkkojen ja heinäsirkkojen kanssa ne levisivät pian maailman mantereille. Sudenkorentojen siipien kärkiväli oli jopa seitsemänkymmentäviisi senttimetriä. Torakoita kehittyi tuhat eri lajia, ja jotkin niistä kasvoivat kymmenen senttimetrin mittaisiksi.
Kaksi piikkinahkaisten ryhmää kehittyi erityisen hyvin, ja ne ovatkin tämän aikakauden johtofossiileja. Äyriäisiä syövät suurikokoiset hait kehittyivät niin ikään merkittävästi, ja yli viiden miljoonan vuoden ajan ne pitivät hallussaan valtamerten herruutta. Ilmasto oli edelleenkin lauhkea ja tasainen. Merieliöstössä ei tapahtunut moniakaan muutoksia. Makeanveden kalalajeja oli kehittymässä ja trilobiitit olivat kuolemassa sukupuuttoon. Koralleja oli niukasti, ja suurimman osan kalkkikivestä valmistivat merililjat. Hienommat rakennuskalkkikivet muodostuivat tänä kautena.
Monien sisämerten vesi oli siinä määrin kalkin ja muiden mineraalien kuormittamaa, että se haittasi useiden merellisten eliölajien edistymistä ja kehittymistä suuresti. Lopulta meret laajan kivikerrostuman muodostumisen myötä kirkastuivat. Tämä kerros sisältää paikka paikoin sinkkiä ja lyijyä.
Tämän varhaisen kivihiilikauden kerrostumat ovat paksuudeltaan 150:stä 600:aan metriä, ja ne koostuvat hiekkakivestä, savikivestä ja kalkkikivestä. Vanhimmat juonteet sisältävät runsaiden sora- ja allassedimenttien ohella sekä maa- että merieläinten ja kasvien fossiileja. Näissä vanhemmissa kerroksissa ei louhintakelpoista kivihiiltä esiinny paljonkaan. Kaikkialla Euroopassa nämä kerrostumat ovat varsin samanlaisia kuin Pohjois-Amerikkaan muodostuneet kerrostumat.
Puheena olevan kauden lähetessä loppuaan alkoi Pohjois-Amerikan maamassa kohota. Kohoaminen keskeytyi lyhyeksi ajaksi, ja meri palasi ja peitti suunnilleen puolet aiemmista altaistaan. Tulva oli lyhytaikainen, ja enin osa maata oli pian taas hyvänlaisesti vedenpinnan yläpuolella. Etelä-Amerikka oli Afrikan välityksellä edelleenkin yhteydessä Eurooppaan.
Tällä kaudella saivat alkunsa Vogeesit, Schwarzwald ja Uralvuoristo. Muiden ja vanhempien vuoristojen tynkiä on nähtävillä kaikkialla Isossa-Britanniassa ja Euroopassa.
200.000.000 vuotta sitten alkoivat kivihiilikauden varsinaiset aktiiviset vaiheet. Tätä aikaa edeltäneiden kahdenkymmenen vuosimiljoonan kuluessa muodostuivat varhaisemmat kivihiilikerrostumat, mutta nyt olivat käynnissä entistä laajamittaisemmat kivihiilen muodostumisprosessit. Varsinainen kivihiilen kerrostumiskausi oli pituudeltaan hieman yli kaksikymmentäviisi miljoonaa vuotta.
Aika ajoin maa kohosi ja laski merenpinnan vaihteluiden johdosta, jotka puolestaan aiheutuivat valtamerten pohjalla tapahtuneista muutoksista. Tämä maankuoren rauhattomuus—maan vajoaminen ja kohoaminen—yhdessä rannikkosoiden rehevän kasvuston kanssa myötävaikutti laajojen kivihiilikerrostumien muodostumiseen. Siitä syystä tämä ajanjakso on tullut tunnetuksi kivihiilikautena. Ja ilmasto oli koko maailmassa yhä lauhkea.
Kivihiilikerrokset vuorottelevat savikivi-, kivi- ja konglomeraattikerrosten kanssa. Nämä kivihiilikentät Yhdysvaltain keski- ja itäosissa vaihtelevat vahvuudeltaan kahdentoista ja viidentoista metrin välillä. Mutta monet näistä kerrostumista huuhtoutuivat myöhempien maankohoamisten yhteydessä pois. Joissakin osissa Pohjois-Amerikkaa ja Eurooppaa kivihiiltä sisältävät kerrokset ovat paksuudeltaan 5400 metriä.
Savessa kasvaneiden puiden juurien esiintyminen nykyisten kivihiilijuonteiden alla olevissa kerroksissa osoittaa, että kivihiili muodostui tarkalleen siinä paikassa, mistä sitä nyt löydetään. Kivihiili on sen rehevän kasvillisuuden vedessä säilyneitä ja paineessa muuntuneita jäännöksiä, joka rehotti tuon kaukaisen aikakauden rämeillä ja suorannoilla. Hiilikerrokset sisältävät usein sekä kaasua että öljyä. Turvekerrokset, jotka ovat aiemman kasvillisuuden jäänteitä, muuttuisivat tietyntyyppiseksi kivihiileksi, jos niihin kohdistettaisiin sopiva paine ja lämpötila. Antrasiitti on joutunut suurempaan paineeseen ja kuumuuteen kuin muu kivihiili.
Pohjois-Amerikassa on eri kivihiilikentissä kerrostumia, jotka osoittavat, monestiko maa laski ja kohosi. Näitä on vaihteleva määrä: kymmenen Illinoisissa, kaksikymmentä Pennsylvaniassa, kolmekymmentäviisi Alabamassa ja seitsemänkymmentäviisi Kanadassa. Kivihiilikerroksissa esiintyy sekä makean että suolaisen veden eliöstön fossiileja.
Koko tämän kauden ajan olivat Pohjois- ja Etelä-Amerikan vuoristot liikkeessä. Sekä Andit että Kalliovuorten eteläinen esivaihe kohosivat. Atlantin ja Tyynenmeren laajat ylänköiset rannikkoalueet alkoivat vajota. Lopulta eroosio kulutti niitä siinä määrin ja ne painuivat niin alas, että kummankin valtameren rantaviivat vetäytyivät suunnilleen nykyisille sijoilleen. Tämän veteenvajoamisen aikaiset kerrostumat ovat paksuudeltaan keskimäärin kolmesataa metriä.
190.000.000 vuotta sitten tapahtui Pohjois-Amerikan kivihiilikautisen meren työntyminen lännen suunnalle nykyisten Kalliovuorten alueen yli niin, että Pohjois-Kalifornian kautta muodostui lasku-uoma Tyyneenmereen. Kivihiiltä muodostui jatkuvasti kerros kerroksen päälle kaikkialla Amerikoissa ja Euroopassa, kun rannikkomaat näinä häilyvien merenrantojen aikakausina nousivat ja vajosivat.
180.000.000 vuotta sitten alkaneen jakson aikana kivihiilikausi päättyi. Sen aikana kivihiiltä oli muodostunut kaikkialla maailmassa: Euroopassa, Intiassa, Kiinassa, Pohjois-Afrikassa ja Amerikoissa. Kivihiilen muodostumiskauden lopulla Mississipin laakson itäpuoleinen Pohjois-Amerikka nousi, ja suurin osa tästä lohkosta on aina siitä lähtien pysynyt merenpinnan yläpuolella. Tämä maankohoamisjakso merkitsee Pohjois-Amerikan nykyisten vuoristojen muodostumisen alkua sekä Appalakkien seuduilla että lännessä. Toimivia tulivuoria oli Alaskassa ja Kaliforniassa sekä niillä Euroopan ja Aasian alueilla, joilla vuortenmuodostus oli meneillään. Grönlannin mannermaa yhdisti Itä-Amerikan Länsi-Eurooppaan.
Maan kohoaminen sai vähitellen aikaan muutoksia aiempien aikakausien meri-ilmastoon; se alkoi korvautua vähemmän lauhkean ja vaihtelevamman mannerilmaston ensivaiheilla.
Näiden aikojen kasvisto koostui itiökasveista, ja tuuli kykeni levittämään ne kauas ja laajalle. Kivihiilikauden puiden rungot olivat halkaisijaltaan yleisesti yli kaksimetrisiä ja usein lähes neljänkymmenen metrin korkuisia. Nykyiset saniaiset ovat silti todellakin jäänteitä näiltä taakse jääneiltä aikakausilta.
Yleisesti ottaen nämä olivat makean veden organismeille kehittymisen aikakausia; vain vähän muutoksia ilmeni aiemmassa merellisessä elollisuudessa. Mutta tämän ajanjakson tärkeä tunnusmerkki oli sammakoiden ja sammakon monien serkkujen yhtäkkinen ilmaantuminen. Kivihiilikauden elollisuuden erikoispiirteitä olivat saniaiset ja sammakot.