波澜不惊的志留纪倏然而逝，迎来了又一个在地质史上举足轻重的时代--泥盆纪，也标志着古生代进入第二阶段--“晚古生代”。
“泥盆”来自日语，是英国英格兰西南半岛上的一个郡名的日语音译（现称德文郡）。泥盆纪是英国地质学家塞奇威克和默奇森研究了该郡的“老红砂岩”后，于1839年命名的。这个时期形成的地层称为“泥盆系”。
泥盆纪是地质时代古生代中的第四个纪，自419.2Ma(4亿1千9百万年前)开始，持续将近6000万年，结束于358.9Ma(3亿5千8百万年前)，分为早、中、晚三个世。
泥盆纪时期，全球板块活动剧烈。泥盆纪早期，劳伦大陆与波罗地大陆碰撞、合并而成欧美大陆。
欧美超大陆与冈瓦纳大陆逐渐靠近，到晚泥盆世时期，在当时的赤道附近，两个超大陆开始逐渐拼贴，为日后盘古超大陆形成奠定了基础。
地球的海西运动，造成地壳板块活动频繁，高山峡谷开始形成，早期裸子和蕨类植物大规模占领了陆地，带来一片生机盎然之势。伴随着布龙度海蝎的上岸，动物开始统治陆地，它们逐渐适应并定居，进化为各种各样的昆虫。
同时，经历了志留纪的短暂复兴，海洋生物在泥盆纪时代正式繁盛，节肢类、无颌类动物逐渐淡出历史，但腕足类、菊石类和鱼类的发展迎来了黄金期。脊椎动物进入飞跃发展时期，鱼形动物数量和种类增多，现代鱼类--硬骨鱼开始发展。
当时鱼类的多样性使得泥盆纪又被命名为“鱼的时代”，他们成功繁衍出各种类型，一类以鱼的形态继续发展，进化出庞大的躯体，成为海洋霸主。另一类开始长出四肢，进化为两栖类，并向陆地进军，成为真正意义上的脊椎动物先祖。早期软骨鱼和硬骨鱼种类也显着增多，在泥盆纪海洋中扮演着重要的角色。中泥盆世，出现了第一个广泛存在的鲨鱼属--裂口鲨。在泥盆纪末期，节肢动物在陆地上已经占据重要地位。
在脊椎动物中，无颌甲胄鱼多样性减少，而具下颚的鱼在海水和淡水中的多样性都有所增加。早泥盆世时期，甲胄盾皮鱼种类繁多，晚泥盆世灭绝，被认为可能与当时多种鱼类竞争有关。
现在的鱼类只有三个分支：硬骨鱼、软骨鱼、圆口鱼。而泥盆纪时还有另外两种：头甲鱼和盾皮鱼，其中盾皮鱼是海洋中的主宰者。
有一种盾皮鱼叫做邓氏鱼，是海洋中的顶级掠食者，海洋中绝对的主宰者。其中最大种类长约11米，重量可达6吨，咬合力可达5吨，足以将钢筋咬得粉碎。被视为当时最大的海洋猎食者，是人类已知体型最大的盾皮鱼，主食硬壳保护的鱼类及无脊椎动物。
邓氏鱼的存在比陆上第一只恐龙的诞生还要早1.35亿年。邓氏鱼处于食物链顶端，生活在泥盆纪的鲨鱼可能是它的捕食对象。然而，巨大的身躯极大地影响了邓氏鱼的运动速度和灵敏度，使其在进化中输给了鲨鱼等软骨鱼，最终灭绝。邓氏鱼及类似生物灭绝后，鲨鱼的体型开始变得更大，种类变得更多。
泥盆纪是地球生物界发生巨大变革的时期，由海洋向陆地大规模进军是这一时期最突出、最重要的生物演化事件。陆地和淡水生态系统在泥盆纪迅速发展，高大的维管植物森林出现。包含大量动物的陆地生态系统的快速发展，为第一批脊椎动物登陆铺平了道路。
在泥盆纪晚期，由鱼类进化而来的两栖类登上陆地，标志着脊椎动物开始了脱离水体并最终征服陆地的演化历程。其次，陆生植物裸蕨在陆地上完全站稳了脚根，并且，它们的三支后代石松类、楔叶类和真蕨类开始大发展，到泥盆纪晚期，出现了许多这类植物构成的成片森林，大地真正披上绿装。植物的成功登陆，使荒漠的大陆变成绿洲，标志着植物的发展在泥盆纪进入了新的阶段。另外，泥盆纪中晚期的陆地上还出现了最早的裸子植物，但直到二叠纪晚期它们才成为陆地植物的主角。
泥盆纪晚期至早石炭纪之际发生了第二次物种大灭绝，或称为晚泥盆纪大灭绝，呈现两个高峰，中间间隔100万年，是地球史上第四大物种灭绝事件，海洋生物遭到重创。
这次灾难的罪魁祸首是岩浆。3000亿立方米的岩浆由于不明原因脱离了外核，从西伯利亚地区喷涌而出。