Bên cạnh một số dạng sự sống bí ẩn mà có thể coi là động vật hoặc không là động vật, tất cả các ngành động vật hiện đại trong bất kỳ mẫu hóa thạch nào có thể đề cập tới, ngoại trừ ngành Bryozoa, dường như đều có các đại diện trong kỷ Cambri. Tất cả chúng, ngoại trừ hải miên (Porifera), dường như có sự khởi đầu chỉ ngay sau hoặc ngay trước khi bắt đầu kỷ này. Tuy nhiên, một vài ngành hiện đại, chủ yếu là các ngành với thân nhỏ hoặc mềm, không có mẫu hóa thạch trong kỷ Cambri. Nhiều ngành động vật đã tuyệt chủng, kỳ cục và có quan hệ không rõ ràng với các động vật khác, cũng xuất hiện trong kỷ Cambri. Sự xuất hiện dường như là "bất ngờ" của hệ động vật đa dạng trong một khoảng thời gian không quá vài chục triệu năm này được coi là "Sự bùng nổ kỷ Cambri".

Qua nghiên cứu các hóa thạch đã được tìm thấy, các nhà khoa học đã dựng lại khung cảnh sống và nguồn thực phẩm của cá động vật kỉ Cambri, phân chúng thành 4 nhóm:

• Nhóm thu thập và ăn các chất lắng tụ dưới đáy biển, chiếm 60% tổng số cá thể, chủ yếu là các loài chân khớp như Tôm ba lá.
• Nhóm sống bằng cách thu gom và nuốt các chất lắng tụ, chiếm 1%, chủ yếu là các loài Thân mềm có một phần vỏ cứng.
• Nhóm sống bằng các chất lơ lửng trong nước, chiếm 30%, chủ yếu là các loài Bọt biển.
• Nhóm ăn thịt, chiếm 10%, chủ yếu là các loài Chân khớp.

Có thể nói trong kỷ Cambri các loài Chân khớp phát triển hết sức đa dạng, theo ước tính có thể lên đến 20 nhóm, không như ngày nay chỉ còn 4 nhóm là Côn trùng, Giáp xác, Nhện và nhóm Nhiều chân (Đa túc). Phổ biến nhất là Tôm ba lá (còn gọi là Trùng tam điệp hay Bọ ba thùy), vì thế các nhà khoa học còn gọi kỷ Cambri là "thời đại Tôm ba lá" và hóa thạch Tôm ba lá là hóa thạch chỉ thị cho kỷ Cambri. Tôm ba lá có nhiều hình thức sống khác nhau. Có loại sống gần mặt biển, có loại sống ở tầng nước giữa, cóa loại sống ở tầng đáy. Các nhà khoa học đã tìm thấy hơn 10.000 loài Tôm ba lá khác nhau, có kích thước trung bình từ 3 – 42 cm, cá biệt có con dài đến 75 cm. Cấu tạo cơ thể chúng gồm đầu và thân, chia ra thành nhiều đốt, xếp chồng như mái ngói giúp cho Tôm ba lá có thể cuộn tròn một cách dễ dàng. Ở một vài loài, các đốt cuối liền với nhau tạo thành cái đuôi. Và giống như các loài Chân khớp khác, Tôm ba lá mỗi lần lớn lên thì chúng phải lột xác và phải một thời gian sau thì vỏ mới cứng lại. Loài Deiphon có nhiều chân bơi lội một cách nhẹ nhàng trên đáy đại đương, loài Encrinurus thì có mắt lồi sống ở tầng đáy, loài Calymene khi gặp nguy hiểm thì cuộn tròn mình lại, còn loài Trimerus thì có đời sống chuyên vùi mình xuống bùn,....

Khu vực được nghiên cứu kỹ nhất mà tại đó các phần mềm của các sinh vật hóa thạch nằm trong đá phiến sét Burgess ở British Columbia, Canada. Chúng đại diện cho các địa tầng thời Cambri giữa và cung cấp nhiều thông tin cho con người về sự đa dạng động vật thời kỳ đó. Các hệ động vật tương tự lần lượt sau đó cũng được tìm thấy tại nhiều khu vực khác - quan trọng nhất là trong các lớp đá phiến sét giai đoạn Cambri sớm tại tỉnh Vân Nam, Trung Quốc (xem đá phiến sét Trừng Giang). Các hệ động vật thời kỳ tiền Cambri thuộc kỷ Ediacara cũng đã được nhận dạng trong 50 năm qua, nhưng quan hệ của chúng với các dạng sự sống động vật kỷ Cambri là hoàn toàn mờ mịt.