Durante la Fauna Carbonífero inferior las algas calcáreas tuvieron un papel dominante en la formación de arrecifes barrera de carbonato cálcico a lo largo de la costa. Los ocupantes de los arrecifes eran corales tabulados y rugosos. Aparecen braquiópodos gigantes (prodúctidos) que experimentaron un gran éxito con multitud de adaptaciones (espinas anclaje o formas cónicas unidas entre sí formando sólidos armazones), y constituían la base sobre la que se asentaban los corales. Asteridae, Echinoidea, gasterópodos, bivalvos y foraminíferos constituían el bentos móvil durante la Fauna Carbonífero. Briozoos, crinoideos y braquiópodos epibentónicos fijos y suspensívoros experimentaron una gran radiación.
En la Fauna Carbonífero los crinoideos formaron amplias praderas que prosperaban en las áreas de aguas tranquilas de lagunas dando lugar, tras su muerte, a importantes acumulaciones calcáreas. Las colonias de briozoos fenestélidos, junto con algas calcáreas contribuyeron a la formación de arrecifes. Los fusulínidos son un grupo de grandes foraminíferos que aparecen en los mares someros de la Fauna Carbonífero inferior experimentando una gran radiación adaptativa durante el Carbonífero superior y Pérmico. Aunque sean organismos unicelulares con conchas, algunas especies excedían los 10 milímetros; son importantes fósiles-guía. Ciertos grupos de animales (crinoideos y foraminíferos fundamentalmente) contribuyeron con una cantidad inmensa de despojos esqueléticos a la formación de calizas (calizas de montaña). Otros grupos importantes de la época fueron los ammonoideos y los condrictios (tiburones y sus parientes). Muchos peces habitaron los mares carboníferos.
Se tiene una falsa imagen de los insectos y otros artrópodos de la Fauna Carbonífero, cuyas especies eran de tamaños similares a los actuales, y eran los de gran tamaño (milpiés gigantes de 2 metros y libélulas con alas del tamaño de una gaviota) la excepción. Otros insectos que medraban en las selvas carboníferas eran colémbolos y cucarachas, mientras que las arañas, escorpiones y ciempiés prosperaban entre los detritos del suelo. Los invertebrados carboníferos de agua dulce incluyen varios moluscos bivalvos, como Anthracomya, Carbonicola y Naiadiles; diversos crustáceos como Acanthocaris, Anthrapalaemon, Bairdia, Carbonia, Dithyrocaris y Estheria.
En el Carbonífero inferior los anfibios, con un hábitat acuático o semiacuático, no se parecían demasiado a sus parientes modernos en general pequeños. Tuvieron el medio terrestre a su disposición, y consiguieron un amplio espectro de formas y modos de vida (carnívoros parecidos a los caimanes, pequeños y serpentiformes). Algunos anfibios midieron 6 metros. Los ejemplares adultos adaptos al medio terrestre estaban cubiertos por escamas protectoras. Hubo un desarrollo de todo tipo de sistemas mecánicos para aguantar su peso, mantenerse en pie y moverse sobre la tierra.
Hasta hace poco, los reptiles más antiguos conocidos databan del Carbonífero superior. En 1991 se describe en la Fauna Carbonífero inferior de Escocia un posible reptil (Westlothiana lizziae), aunque no podemos decir qué anfibios fueron sus ancestros más cercanos, ni qué reptiles sus directos descendientes. Luego aparecen Hylonomus y Paleothyris, animales delgados (20 centímetros de longitud), y cabeza relativamente pequeña propia de los reptiles (aproximadamente una quinta parte de la longitud del tronco, en lugar de un tercio o un cuarto, como es habitual en los anfibios). El cráneo es alto (un rasgo heredado de los anfibios reptiliomorfos), y el complejo de huesos que los anfibios tienen en la parte posterior del cráneo está mucho más reducido.
Los esqueletos son ligeros, y conservaban los miembros extendidos lateralmente y las pequeñas cinturas pectoral y pélvica de los anfibios. Sus manos y pies presentan dedos muy largos, como los de los lagartos modernos. Probablemente, aquellos primeros reptiles usaban sus afilados dientes para perforar la cutícula de los insectos, mientras que la mayor parte de los anfibios carecía de fuerza al morder, debido a su cráneo bajo y a la debilidad de sus mandíbulas). Estos dos reptiles primitivos se han encontrado en el interior de tocones de árboles fosilizados en Nueva Escocia (Canadá). Los desechos fecales indican una alimentación de insectos y caracoles.