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二叠纪（约2.99亿年前——2.51亿年前）是古生代的最后一个纪，也是重要的成煤期。二叠纪早期的植物界面貌与石炭纪晚期相似，仍以节蕨、石松、真蕨、种子蕨类为主。二叠纪晚期裸子植物中出现了银杏、苏铁、尼尔桑、松柏类，开始呈现中生带的面貌。
二叠纪被称为两栖动物时代。
无脊椎动物以筳类、珊瑚、腕足类、菊石、腹足类、双壳类为主；节肢动物的三叶虫只剩下少数代表。
二叠纪无孔亚纲爬行动物繁荣起来，其中的锯齿龙类也演化出较大的体型。龟鳖类是它们的后代。盘龙目是二叠纪早期的优势陆地动物。
二叠纪早期出现了兽孔目，兽孔目由盘龙目的楔齿龙科进化而来；二叠纪中、晚期演化出热量调节(温血动物)，取代盘龙目成为陆地上的优势动物，包括草食性、肉食性两个分支，体型从小如老鼠(例：罗伯特兽)，体型大的可以以公吨计算(例：麝足兽)。
兽孔目分为恐头兽亚目、异齿亚目和兽齿类。此外还有更早的巴莫鳄亚目。
恐头兽亚目是盘龙目楔齿龙科与更先进的兽孔目之间的过渡类型。恐头兽类体型较大，最大型的草食性（貘头兽）与杂食性（伟鳄兽）恐头兽类，重量可以达到2吨，大约4.5米长，而最大型的肉食性（像是安蒂欧兽与巨型兽）也有类似的体型，而最大型的头骨有80厘米长，而体重大约半公吨重。
恐头兽亚目在二叠纪早期的最后阶段，恐头兽类在盘龙逐渐灭绝时从类似盘龙目的兽孔目动物进化而来，演化出一大群草食性动物。在一阵简短的多样性演化爆炸后，恐头兽亚目在二叠纪晚期忽然灭绝。它们被更小的兽孔目动物取代。
巴莫鳄亚目又名始巨鳄亚目、渐衰鳄亚目。巴莫鳄类是中等大小、轻型肉食性动物，与恐头兽亚目一样是盘龙目楔齿龙科与更先进的兽孔目之间的过渡类型，是二叠纪晚期主要的肉食性动物，取代了恐头兽亚目的肉食性动物的地位。
异齿亚目又名缺齿亚目、异齿龙亚目。从二叠纪繁盛到三叠纪。它们大多数为缺少牙齿的草食性动物。只有二齿兽类存活到二叠纪晚期，而且成为二叠纪晚期最成功、大量的草食性动物，在生态位上占据从大型到小型草食性动物的位置，取代了恐头兽亚目的植食性动物的地位。
二叠纪晚期兽齿类出现，是唯一拥有皮毛的兽孔目，分为丽齿类、兽头类和犬齿兽类。犬齿兽类分化为草食性与肉食性两类。丽齿兽类是二叠纪晚期的大型肉食性动物。
丽齿兽类初期的体型不大于狗，由二叠纪中期的兽孔目动物演化而来。后期许多丽齿兽类发展到大型狗或牛的大小，有些成长至犀牛的大小。目前已知最大型的属是狼蜥兽，体型接近熊，头骨有45公分长，刀刃状的牙齿有12公分长。
兽头类出现于二叠纪晚期的冈瓦纳古陆，以它们巨大的头骨与牙齿为名，属于肉食性动物。
犬齿兽类拥有几乎所有哺乳类的特征，犬齿兽类仍然卵生。是温血动物，覆盖着毛发，使它们维持高体温。犬齿兽类的下颌减少骨头数量，这多余骨头的移动演化成新的作用，成为哺乳类的内耳一部份。更好的听力使这些动物更能警觉他们所处环境，然后这增加的听力使大脑增加更多的区域以接受声音讯息。犬齿兽类也发展出嘴巴顶部的次生颚。这可让空气可从嘴巴后方流动到肺，使犬齿兽类可同时进食与呼吸。这特征可见于所有现代哺乳类。
兽头类和犬齿兽的演化均来源于丽齿兽。最初的犬齿兽成员是原犬鳄龙。真犬齿兽下目在二叠纪晚期出现，属于犬齿兽亚目，包含现代哺乳动物的直系祖先与其旁系近亲，其成员可分成肉食性与草食性。
调孔亚纲分为鳍龙目和鱼龙目。调孔亚纲最早的鱼龙在二叠纪晚期起源于杯龙类。
距今约2.5亿年前的二叠纪末期，发生了有史以来最严重的大灭绝事件，估计地球上有96%的物种灭绝，其中90%的海洋生物和70%的陆地脊椎动物灭绝。三叶虫、海蝎以及重要珊瑚类群全部消失。陆栖的单弓类群动物和许多爬行类群也灭绝了。
这次大灭绝是由气候突变、沙漠范围扩大、火山爆发等一系列原因造成。
当时在北方劳亚古陆的最北端，现在俄罗斯的西伯利亚地区，发生了超巨型火山喷发。熔岩覆盖半个俄罗斯的国土。同时中国南方也发生了大型火山喷发。这些火山活动燃烧了大量的氧气，释放出大量的二氧化碳。
同时这些火山活动强烈憾动了劳亚古陆板块，使得所有的大陆板块发生了漂移，并聚集碰撞成为一个联合的古陆（盘古大陆）。
板块移动造成板块下面露出的浅层大陆架发生有机物质泄露。这些物质迅速抢夺海水中的氧气，并释放出大量的二氧化碳，使得海洋中有限的氧气含量迅速降低到无法维系海洋生态系统的地步。
同时因为既有火山活动又有有机质对海水的直接影响，使得二氧化碳含量急速提升，温室效应迅速增强，仅仅６万年的时间，地球平均温度由25℃升至33℃，而当时的中国南部浅海（当时的赤道所在）海水温度达到40℃。
这样同时遭受缺氧和温度过高的双重灾难是海洋生物所无法忍受的，因此造成海洋生物中的97%灭绝。
同时古陆上气温持续升高，空气水分降低，浅海抬升为陆地。海洋中的水气因为山脉的阻挡无法进入内陆。大陆上气候变得干旱。蕨类植物因为喜水，在这种气候条件下无法繁殖，逐渐枯萎，甚至因为火山活动燃烧殆尽。森林因此化为沙漠，且沙漠面积不断扩大。同样喜水的陆生两栖动物和昆虫因为缺乏食物，纷纷饿死。
总之这场灾祸可以说是浩劫。
陆地上的爬行动物受到的影响有限，因为有一部分爬行动物已经进化为真正的陆生繁殖。主要是失去了很多的食物来源，饥饿而死的更多。下孔亚纲类、无孔亚纲类爬行动物大量灭绝，而初龙亚纲成为陆地优势动物。而调孔亚纲成为海洋优势动物。
丽齿兽类在二叠纪——三叠纪灭绝事件时灭亡，是唯一在这次灭绝事件灭亡的兽齿类演化支。
多数兽头类在二叠纪——三叠纪灭绝事件中灭亡。
最初的犬齿兽成员原犬鳄龙科，包括原犬鳄龙，都在二叠纪——三叠纪灭绝事件中灭亡。
二叠纪物种大灭绝，终结了三叶虫：一种统治海洋长达三亿多年的生物，历史上最为严重的一次，却也是最具意义的一次。由于绝大多数物种都已灭绝，地球上的物种进行了一次彻底的更新换代，地球史也从古生代进入到中生代。”
下一章介绍三叠纪。