奥陶纪（距今4.85亿年~4.43亿年）动物仍生活在海洋中，海生无脊椎动物空前繁盛，形成了“古生代演化动物群”的首次辐射，奠定了随后2亿多年时间里全球海洋生态系的主要格局。其中重要门类有笔石、三叶虫、腕足类、鹦鹉螺类、苔藓动物、海百合类和珊瑚等，而以鹦鹉螺为代表的头足类取得了海洋霸主地位。奥陶纪多样性的剧增，规模是寒武纪后生动物辐射的3倍多，增加 了大量底栖游移和浮游动物，生态分层和群落进一步复杂化。奥陶纪末期，地球变得异常寒冷，超过一半的物种消亡了。由此地球生物圈经历了“寒武纪大爆发”以来的第一次生物大灭绝事件。