La vida marina durante la Fauna Pérmico fue similar al Devónico y Carbonífero a excepción de varios grupos de organismos oceánicos que murieron en la extinción en masa devónica. Se produjo la evolución de insectos de aspecto moderno. Antes de terminar la Fauna Pérmico, el reparto básico estaba ya establecido. Las invenciones e innovaciones deberían surgir de él, o bien no aparecer. Se trataba de un reparto extraordinariamente versátil, con potencial para cambiar física y morfológicamente más allá de cualquier límite alcanzado hasta entonces y con una riqueza enorme de guiones originales y nuevos papeles por interpretar como jamás antes hubiera existido. De esta época son algunos célebres fósiles como Mesosaurus y Dimetrodon. Este último pertenecía al linaje de los sinápsidos (reptiles mamiferoides).
Los depósitos marinos de la Fauna Pérmico son ricos en fósiles de braquiópodos, equinodermos y moluscos. Gran parte de Europa y Norteamérica estaban situadas en el ecuador (depósitos calizos de gran espesor). Las algas englobaron esponjas y briozoos para formar arrecifes de barrera. Los fusulínidos son un grupo de grandes foraminíferos que tuvieron una gran radiación adaptativa (5.000 especies en rocas pérmicas).
El fitoplancton constituido por acritarcos persistió aunque ya no se recuperó de la gran extinción del final del Devónico. Los ammonoideos se rediversificaron rápidamente y también aparecen grandes representantes de los nautiloideos. Los principales grupos primitivos de peces ya habían desaparecido (placodermos, ostracodermos, etc.) y acantodios y dipnoos estaban en declive. Dominaban peces óseos y tiburones, y estos últimos tendieron hacia diseños más móviles, convirtiéndose en predadores cada vez más efectivos.
En los medios de agua dulce de la Fauna Pérmico existían peces de aletas radiadas y tiburones que no se conocen en medios actuales, por lo que resulta problemática su clasificación. Los moluscos bivalvos de la Fauna Pérmico llegaron a ser también importantes en ambientes dulceacuícolas. Pero probablemente el animal más destacado de ese medio fue el reptil Mesosaurus. Los insectos comenzaron a jugar un importante papel ecológico que ya no han abandonado; en el Pérmico superior (hace unos 250 millones de años) aparecieron los primeros coleópteros, el grupo dominante en la actualidad.
La innovación evolutiva más espectacular de algunos anfibios fue el huevo cleidoico («cerrado»), que los convirtió en reptiles y liberó de su dependencia acuática para la reproducción permitiéndoles explorar las riquezas interiores de la tierra, lejos de los mares, lagos y ríos donde se habían originado sus ancestros. Los reptiles, a diferencia de los anfibios, no ponen el huevo en el agua. El lazo reproductivo que les unía a sus ancestros, los peces, queda así definitivamente cortado. La estructura más probable de ser un huevo de reptil es de la Fauna Pérmico inferior, pero se supone que el huevo amniota apareció en el Carbonífero.
La fauna terrestre de principios de la Fauna Pérmico estaba dominada por anfibios y pelicosaurios (primeros reptiles mamiferoides), en el Pérmico medio dominaron los primitivos terápsidos como los dinocefalios, y a finales del Pérmico los terápsidos más avanzados, como gorgonópsidos y dicinodontos. Hacia el final del Pérmico aparecen los primeros cinodontos, que pasarían a convertirse en mamíferos durante el Triásico. Otro grupo de terápsidos, los terocefalios (como Trochosaurus) surgió en el Pérmico medio.
En esta época los anápsidos llegaron al pico en forma de los masivos Pareiasaurus, así como los pequeños grupos de reptiles similares a lagartos. Un grupo de pequeños reptiles, los diápsidos, comenzó a abundar. Estos fueron los antepasados de los reptiles más modernos y de los arcosaurios. A finales de la Fauna Pérmico surgirían los primeros arcosaurios, el grupo que daría lugar a los cocodrilos, pterosaurios y dinosaurios en el período siguiente. En resumen, el período Pérmico vio el desarrollo de una fauna plenamente terrestre y la aparición de los primeros grandes herbívoros y carnívoros. No hubo vertebrados aéreos en este período.
En el Pérmico inferior los pelicosaurios (primeros reptiles mamiferoides) habían llegado a ser los carnívoros que ocupaban el vértice de la cadena trófica de los ecosistemas terrestres. Vivieron en pantanos ya que algunos pueden haber sido semiacuáticos. Dimetrodon era un carnívoro del tamaño de un jaguar que tenía dientes afilados y agudos. Mientras los anfibios carnívoros pérmicos, parecidos al caimán como Eryops se comían presas pequeñas de un bocado, Dimetrodon podría rasgar animales grandes en piezas menores. La estructura del cráneo de Dimetrodon es parecida a la de los de mamíferos, que evolucionaron de ellos. En el Pérmico medio evolucionó un grupo particular de reptiles mamiferoides especialmente parecido a los mamíferos, los terápsidos que muestran varios rasgos de mamífero:
Muchos expertos creen que los terápsidos eran de sangre caliente y con el pelo parecido al de los mamíferos modernos que aislaba sus cuerpos. De todos modos, las posturas más erguidas y las mandíbulas complejas muestran que estos activos animales se acercaron en la anatomía y comportamiento al nivel mamífero de evolución.