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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。
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