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二疊紀（約2.99億年前——2.51億年前）是古生代的最后一個紀，也是重要的成煤期。二疊紀早期的植物界面貌與石炭紀晚期相似，仍以節蕨、石松、真蕨、種子蕨類為主。二疊紀晚期裸子植物中出現了銀杏、蘇鐵、尼爾桑、松柏類，開始呈現中生帶的面貌。

二疊紀被稱為兩棲動物時代。

無脊椎動物以筳類、珊瑚、腕足類、菊石、腹足類、雙殼類為主；節肢動物的三葉蟲只剩下少數代表。

二疊紀無孔亞綱爬行動物繁榮起來，其中的鋸齒龍類也演化出較大的體型。龜鱉類是它們的后代。盤龍目是二疊紀早期的優勢陸地動物。

二疊紀早期出現了獸孔目，獸孔目由盤龍目的楔齒龍科進化而來；二疊紀中、晚期演化出熱量調節(溫血動物)，取代盤龍目成為陸地上的優勢動物，包括草食性、肉食性兩個分支，體型從小如老鼠(例：羅伯特獸)，體型大的可以以公噸計算(例：麝足獸)。

獸孔目分為恐頭獸亞目、異齒亞目和獸齒類。此外還有更早的巴莫鱷亞目。

恐頭獸亞目是盤龍目楔齒龍科與更先進的獸孔目之間的過渡類型。恐頭獸類體型較大，最大型的草食性（貘頭獸）與雜食性（偉鱷獸）恐頭獸類，重量可以達到2噸，大約4.5米長，而最大型的肉食性（像是安蒂歐獸與巨型獸）也有類似的體型，而最大型的頭骨有80厘米長，而體重大約半公噸重。

恐頭獸亞目在二疊紀早期的最后階段，恐頭獸類在盤龍逐漸滅絕時從類似盤龍目的獸孔目動物進化而來，演化出一大群草食性動物。在一陣簡短的多樣性演化爆炸后，恐頭獸亞目在二疊紀晚期忽然滅絕。它們被更小的獸孔目動物取代。

巴莫鱷亞目又名始巨鱷亞目、漸衰鱷亞目。巴莫鱷類是中等大小、輕型肉食性動物，與恐頭獸亞目一樣是盤龍目楔齒龍科與更先進的獸孔目之間的過渡類型，是二疊紀晚期主要的肉食性動物，取代了恐頭獸亞目的肉食性動物的地位。

異齒亞目又名缺齒亞目、異齒龍亞目。從二疊紀繁盛到三疊紀。它們大多數為缺少牙齒的草食性動物。只有二齒獸類存活到二疊紀晚期，而且成為二疊紀晚期最成功、大量的草食性動物，在生態位上占據從大型到小型草食性動物的位置，取代了恐頭獸亞目的植食性動物的地位。

二疊紀晚期獸齒類出現，是唯一擁有皮毛的獸孔目，分為麗齒類、獸頭類和犬齒獸類。犬齒獸類分化為草食性與肉食性兩類。麗齒獸類是二疊紀晚期的大型肉食性動物。

麗齒獸類初期的體型不大于狗，由二疊紀中期的獸孔目動物演化而來。后期許多麗齒獸類發展到大型狗或牛的大小，有些成長至犀牛的大小。目前已知最大型的屬是狼蜥獸，體型接近熊，頭骨有45公分長，刀刃狀的牙齒有12公分長。

獸頭類出現于二疊紀晚期的岡瓦納古陸，以它們巨大的頭骨與牙齒為名，屬于肉食性動物。

犬齒獸類擁有幾乎所有哺乳類的特征，犬齒獸類仍然卵生。是溫血動物，覆蓋著毛發，使它們維持高體溫。犬齒獸類的下頜減少骨頭數量，這多余骨頭的移動演化成新的作用，成為哺乳類的內耳一部份。更好的聽力使這些動物更能警覺他們所處環境，然后這增加的聽力使大腦增加更多的區域以接受聲音訊息。犬齒獸類也發展出嘴巴頂部的次生顎。這可讓空氣可從嘴巴后方流動到肺，使犬齒獸類可同時進食與呼吸。這特征可見于所有現代哺乳類。

獸頭類和犬齒獸的演化均來源于麗齒獸。最初的犬齒獸成員是原犬鱷龍。真犬齒獸下目在二疊紀晚期出現，屬于犬齒獸亞目，包含現代哺乳動物的直系祖先與其旁系近親，其成員可分成肉食性與草食性。

調孔亞綱分為鰭龍目和魚龍目。調孔亞綱最早的魚龍在二疊紀晚期起源于杯龍類。

距今約2.5億年前的二疊紀末期，發生了有史以來最嚴重的大滅絕事件，估計地球上有96%的物種滅絕，其中90%的海洋生物和70%的陸地脊椎動物滅絕。三葉蟲、海蝎以及重要珊瑚類群全部消失。陸棲的單弓類群動物和許多爬行類群也滅絕了。