奧陶紀(Ordovician5億年前)和志留紀(Silurian4.35億年前)不是同一時期，而“奧陶--志留紀大冰期”是指在奧陶一志留紀之交有一次大冰期。

就無脊椎動物而言，志留紀有許多獨特之處。最常見的化石包括筆石、腕足類、珊瑚等 。筆石以單筆石類為主,如單筆石(Monoraptus)、弓筆石(Cyrtoraptus)、鋸筆石(Pristioraptus)和耙筆石(Rastrites)等,它們是志留紀海洋漂浮生態域中最引人注目的一類生物。早期並有自奧陶紀上延的雙筆石類的代表，如雙筆石(Di-ploraptus)和柵筆石(Climacoraptus)等。筆石分佈廣，演化快，同一物種可以在世界上許多洲發現。根據筆石演化的階段特徵及特殊型別的地質歷程，在地層對比中有獨特的價值。志留紀分統分階的界線確定主要依賴於筆石帶。

腕足動物的數量相當多，在淺海平底底棲生物中常佔有絕對優勢。所以，志留紀時代被譽為腕足類的壯年期。通常個體較大、鉸合線短、發育匙形臺和腕器官的五房貝族是最具特徵的一類代表，它們始見於晚奧陶世，到志留紀達於鼎盛。具腕螺、鉸合線較長的石燕族，始見於志留紀最早期，它的起源至今還是個謎。具腕螺、鉸合線短的無洞貝族和無窗貝族自奧陶紀延續上來之後，一直穩定發展。在奧陶紀達於極盛的正形貝和扭月貝兩大族，到志留紀明顯衰落。

珊瑚和層孔蟲也是志留紀較繁盛的兩個門類，常見於生物礁、生物丘和生物層中。志留紀的珊瑚包括四射珊瑚、床板珊瑚和日射珊瑚，數量和屬種類型繁多，至泥盆紀達於鼎盛。層孔蟲的最盛期也在泥盆紀，所以志留紀是它們的準備期。這些生物都是今日海洋中早已滅絕了的，它們營固著底棲的生活方式，所以在地理分佈上有明顯的區域性，但其幼蟲階段可以浮游，又使其有可能廣泛分佈在合適的環境中。

腹足類和雙殼類到志留紀仍繼續緩緩地發展。它們在整個古生代，無論在丰度還是分異度上，都不如腕足類。腹足類和雙殼類在今日海洋中佔著優勢，所以研究它們的生態及其生活環境，對於認識遠古時期的這兩個門類有重要的意義。

與奧陶紀相比，志留紀頭足類中的鸚鵡螺明顯減少，如奧陶紀常見的內角石類至志留紀時絕滅了，沒有新的大類在志留紀中出現。中國南方下志留統頂部的秀山組盛產以四川角石(Sichunocers)為代表的鸚鵡螺化石，但無論在數量上還是分異度上，都不及奧陶紀。

海百合類是志留紀發育最成功的一種棘皮動物，在中國蘭多維利世地層中常見的花瓣海百合(Petlocrin-us)和螺旋海百合(Spirocrinus)都是常見代表。它們的個體形狀，與現代海洋中的相比，差別很大。志留紀海林檎的生活方式與現代的比較相似。

在節肢動物中，曾稱霸於寒武紀的三葉蟲，經過奧陶紀一度繁盛之後，到志留紀明顯衰落。在區域性地區和層段，地方性分子仍常見，並具有重要的地層對比意義。中國華南常見的王冠蟲(Coronocephlus)、霸王蟲(Se-nticucullus)等就是例證。介形蟲與三葉蟲相比，遠處於劣勢，但區域性可以相當豐富。在蘭多維利世晚期到普里道利世，介形蟲還是有用的標準化石。板足鱟類(Eu-rypterids)是志留紀無脊椎動物中最重要的食肉類代表。它們能游泳。初現 於奧陶紀，它們最強烈的生態衝擊是在志留紀和泥盆紀。與頭足類中的菊石族不同，板足鱟類不僅見於海洋中，也到半鹹水甚至淡水中生活。

牙形石在志留紀仍穩定發展它演化快、分佈廣,成為繼筆石之後，對比志留紀地層的又一重要的化石。幾丁蟲(Chitinozo)在某些型別的沉積中也相當豐富，它個體很小，呈黑色，狀如瓶頸、棍棒或小球。它的地層意義亦在增長。 志留紀的魚化石是儲存好而可靠的最早魚類記錄，但比較原始，數量不多。中國志留紀的魚化石相對地較多，最早的代表見於蘭多維利世的晚期。

志留紀地層中具有最早的陸生植物化石記錄。志留紀後期出現大面積海退，半陸生的裸蕨類植物進一步繁育。