早寒武世、中寒武世和芙蓉世分別以賀爾姆蟲、奇異蟲和油櫛蟲為代表。太平洋動物群，則以萊德利基蟲、庫庭蟲和褶盾蟲為代表。

在寒武紀開始後的短短數百萬年時間裡，包括現生動物幾乎所有類群祖先在的大量多細胞生物突然出現，這一爆發式的生物演化事件被稱為“寒武紀生命大爆炸”。帶殼、具骨骼的海洋無脊椎動物趨向繁榮，它們營底棲生活，以微小的海藻和有機質顆粒為食物，其中，最繁盛的是節肢動物三葉蟲，故寒武紀又稱為“三葉蟲時代”。

其次是腕足動物、古杯動物、棘皮動物和腹足動物，寒武紀的生物形態奇特，和我們現在地球上所能看見的生物極不相同。比較著名的有早寒武世雲南的澄江生物群、加拿大中寒武世的布林吉斯頁岩生物群。寒武紀的生物界以海生無脊椎動物和海生藻類為主。無脊椎動物的許多高階門類如節肢動物、棘皮動物、軟體動物、腕足動物、筆石動物等都有了代表。其中以節肢動物門中的三葉蟲綱最為重要，其次為腕足動物。此外，古杯類、古介形類、軟舌螺類、牙形刺、鸚鵡螺類等也相當重要。拋開牙形石不說，高等的脊索動物還有許多其他代表，如中國雲南澄江生物群中的華夏鰻、雲南魚、海口魚等，加拿大布爾吉斯頁岩中的皮開蟲，美國上寒武紀的鴨鱗魚。 在潮溼的低地，可能分佈有苔蘚和地衣類的低等植物，但它們還缺乏真正的根莖組織，難以在乾燥地區生活；無脊椎動物也還沒有演化出適應在空氣中生活的機能。