约4.05—2.3亿年前。包括泥盆系、石炭系、二叠系，是新疆分布最广的地层。泥盆系三分，下统东西准噶尔山及其北以碎屑岩和火山碎屑岩为主；南天山及其南为碎屑岩、碳酸盐岩。中统东西准噶尔山及其北岩性与下统相似，南天山以碳酸盐岩为主。上统以陆相地层为主，东西准噶尔山及其北仍有火山活动。石炭系：新疆出露最广最多。二叠系主要出露在大小盆地的边缘。
上古生界shanggushengjie
指晚古生代形成的地层，地层符号Pz2。划分为泥盆系(D)、石炭系(C)和二叠系 (P)。上古生界除有部分海相地层外，以陆相沉积大量发育、含煤沉积广泛分布以及大陆冰川沉积遍及冈瓦纳古陆为其特征。
晚古生代，我国也和世界许多地方一样，是由海洋占优势向陆地面积进一步扩大发展的时代。但北方和南方有很大差异。在华北及东北南部，从晚奥陶世上升形成古陆以来，沉积间断约达1亿多年。到了中石炭世和晚石炭世，才下沉有过多次海侵，但每次海侵时间都很短，时而为海，时而为陆，因此沉积了海陆交互相的地层 (中石炭统称本溪组，上石炭统称太原组，均含有煤层)，到了二叠纪，又重新全部隆起为陆，沉积了陆相地层 (其中下二叠统称山西组，也含有煤层)，一直到现在，基本上保持着陆相环境。南方地区和北方不同，从泥盆纪到二叠纪，曾有多次海侵，大部时间为海水所淹没，所以上古生界以海相沉积为主，当二叠纪北方已经上升为陆时，而南方许多地方仍是一片浅海，后来在川、黔、滇地区还有大规模的玄武岩喷发活动（称峨眉玄武岩）。因此缘故，北方上古生界厚度较小（从数百米到千余米），岩相以海陆交互相及陆相为主，富含煤层，下伏岩系普遍为中奥陶统石灰岩(缺失O3,S.D.C1); 而南方上古生界厚度较大，可达4000多米，横向变化显著，以海相地层为主，地层较为完全(D,C,P皆有)，从下到上皆有含煤层层位，但储量一般不大。这些情况反映华南比华北活动性大，地理环境也比北方复杂。至于中国西北及北部地槽区，沉积了巨厚(数千到一、二万米)的碎屑岩、火山岩等。晚古生代末期，由于海西运动强烈，天山、昆仑、祁连、秦岭以及蒙古——兴安、阿尔泰等地槽都相继褶皱隆起，并伴随着广泛的岩浆侵入活动。此时，华北、东北、西北及华南的一部分，已连接成广阔的大陆，只有在西藏、西南等相对狭小的地方，还有海水存在。所以说，晚古生代或海西构造阶段是从海洋向陆地转化的重大变革时期，也是使中国出现大陆空前占优势的时代。
我国在晚古生代形成许多重要的矿产。首先是煤，但煤的分布情况和形成时间因地而异。华北（包括东北南部）地台的含煤地层是中、上石炭统和下二叠统下部，合称“石炭二叠纪煤系”。由于华北地台久经侵蚀，地势低平，基础稳定，故煤田具有含煤地层厚度较小(一般二、三百米至数百米)，但分布广、面积大、层位稳定、储量丰、质量好等特点。从东北到华北的广大地带，几乎都有这一时代的煤田分布，如开滦、淮南、平顶山、淄博、本溪、焦作、大同、太原、峰峰等煤矿。华南地区情况和北方不同，因海水长期漫覆，只有在海退间隙的滨海低地形成一些小块煤田，故虽然含煤地层的层位多(下、中、上石炭统和下、上二叠统均有)，但层位不稳定，煤田面积小，储量一般不大。其中以上二叠统龙潭组较为重要。如江西乐平、安徽宣泾、湖南斗岭、云南宣威等煤系，皆与此层位相当。至于西北地区，煤层多属于天山、祁连等地槽褶皱隆起后的山前凹陷类型，含煤地层厚度较大，往往沿山脉走向成带状分布。
此外，我国湖南、鄂西、赣东等地的中、上泥盆统中分布有沉积型的赤铁矿、菱铁矿等，因首先发现于湖南宁乡，故称“宁乡式铁矿”。铁矿主要分布于当时古陆边缘地带，泥盆纪初海侵规模较小，到了中、晚泥盆纪，海侵规模变大，许多古陆被海水淹没，从而使大量风化物质在海陆交界地方沉积下来，并富集了铁矿，属典型的滨海、浅海沉积类型。在华北地台范围内，在中石炭统底部，也就是在中奥陶统石灰岩的侵蚀面上，相当普遍地分布一层赤铁矿或褐铁矿，称“山西式铁矿”，规模一般不大，但多为富矿。在这同一层位上有时富集形成铝土，称为“G层铝土”(石炭二叠纪煤系中含有多层铝土，从上到下，分别称A层、B层……G层铝土)。例如冀东开滦、辽宁本溪、山东淄博、河南平顶山等地，在石炭二叠纪煤系下面都产有重要经济价值的铝土矿。上述山西式铁矿和G层铝土矿的成因，都与华北占陆长期风化侵蚀有关，古陆上可溶性盐类淋滤或溶失，而铁、铝、硅等元素的氧化物如赤铁矿、褐铁矿、铝土矿、高岭土等则残留在中奥陶统石灰岩（一般为马家沟组）侵蚀面上，或经局部冲刷而沉积下来。除此，在西南地区黔中、川东等地下石炭统（旧司组）中也分布有丰富的铝土矿，主要是在古陆边缘的近岸地带形成的。
上古生界中也含有许多金属矿。如西北祁连山地区的著名斑状铜矿，阿尔泰地区的铅、锌等有色金属矿等，大都和地槽中的岩浆活动有关。