석탄기에는 곤드와나 대륙이 북쪽으로 이동해 유라메리카 대륙과 충돌해 높은 산맥을 만들었다. 그 결과 북반구에는 로라시아 대륙이, 남반구에는 곤드와나 대륙이 위치하게 되었다. 고생대의 마지막 시기인 페름기가 되자 중한지괴와 양자지괴를 제외한 거의 모든 대륙들이 한군데로 모여 초대륙 판게아를 형성했다. 오늘날의 북아메리카, 유럽, 시베리아, 중국 일대는 석탄기에 따뜻한 적도지방에 분포해 있었다. 그 결과 식물들이 자라기 좋은 환경이 조성되어 수풀이 우거진 넓은 늪지대가 형성됐다. 남북으로 배열된 판게아 대륙의 중위도 지역에는 사막환경이 만들어졌다.

고생대의 초기인 캄브리아기에는 로렌시아, 시베리아, 발티카, 그리고 거대한 대륙인 곤드와나가 있었다. 서로 떨어져 있던 대륙들은 데본기에 발티카와 로렌시아가 합쳐지면서 초대륙 판게아를 만들기 시작했다. 석탄기가 되자 지구상의 대륙들은 점차 모여서 하나의 거대한 대륙 판게아를 형성해 갔다. 페름기에 초대륙 판게아는 점차 남극으로 이동하여 극지방에 가까운 쪽은 빙하로 덮이게 된다.

고생대 페름기에 지구상의 거의 모든 대륙이 모여 판게아 대륙을 형성했을 때 대륙을 둘러싼 드넓은 바다를 '판탈라사 해(海)'라고 한다. 중생대에 이르러 킴메리아(터키, 이란, 티베트, 인도차이나) 대륙이 곤드와나 대륙으로부터 분리되었는데 이들 대륙 사이에서 탄생한 바다가 '테티스 해(海)'이다

곤드와나와 다른 대륙들이 합쳐져 형성된 초대륙 판게아는 점차 남극으로 이동했다. 이에 따라 당시 남극 주변에 위치했던 판게아의 남부에서는 석탄기부터 페름기까지 광범위하게 빙하작용이 계속되었다. 반면 판게아의 윗부분은 적도 지역에 걸쳐 있었기 때문에 이 지역의 기후는 생물의 생존에 적합했으리라 생각된다.

곤드와나 대륙에 나타나는 퇴적층은 사암·셰일·석탄 등과 함께 표석점토암(표석점토가 고화되어 형성된 단단한 퇴적암) 및 빙하가 녹은 물에 의해 퇴적된 퇴적암을 포함하고 있다. 이는 페름기 동안 전 세계적인 기후가 온난기와 한랭기를 반복하면서 점차 온화해졌음을 나타낸다.

우랄산맥은 북극해에서부터 러시아와 카자흐스탄 국경까지 뻗어 있는 산맥이다. 광활했던 우랄 해가 시베리아 지각 밑으로 완전히 섭입 (한 판이 다른 판 아래로 들어가는 현상)된 후, 고대륙인 발티카 대륙과 시베리아 대륙이 충돌하면서 우랄산맥이 형성되었다. 히말라야산맥, 알프스산맥 그리고 애팔래치아산맥과 같이 대륙 내부에 위치하고 있다는 것이 특징이다. 

석탄기에 곤드와나 대륙은 시계방향으로 회전하면서 북쪽으로 이동했다. 그 결과 유라메리카 대륙과 충돌해 높은 산맥을 형성했는데 이를 허시니안 또는 바리스칸 조산운동이라 한다. 이로 인해 북반구에는 로라시아 대륙이, 남반구에는 곤드와나 대륙이 자리 잡게 되었다.

석탄층은 지질시대의 식물들이 땅에 매물되어 변질된 결과 생긴 것이다. 매몰된 식물들은 지반이 침강하며 지하 깊숙이 묻혔고, 오랜 세월 동안 땅의 압력과 열기를 받으며 석탄화되었다. 전 세계 석탄층의 1/3은 고생대에 생성된 것이며, 특히 우리나라의 석탄층은 주로 고생대 석탄기와 페름기에 걸쳐 형성되었다.