Sự sụt giảm tổng thể của mực nước biển vào cuối kỷ Devon đã bị đảo ngược lại vào đầu kỷ Than Đá; điều này tạo ra một loạt các biển rộng nằm trên thềm lục địa và các trầm tích cacbonat của thế Mississippi[5]. Cùng với đó là sự sụt giảm nhiệt độ ở khu vực cực nam Trái Đất; các vùng đất phía nam của đại lục Gondwana đã bị đóng băng trong suốt kỷ này, mặc dù người ta vẫn chưa chắc chắn rằng các lớp băng là lưu lại từ thời kỳ kỷ Devon hay không phải vậy[6]. Các điều kiện như vậy dường như có rất ít ảnh hưởng tới các khu vực nằm sâu trong vùng nhiệt đới, tại đó các đầm lầy than đá tốt tươi đã phát triển thịnh vượng trong phạm vi 30 độ của các sông băng ở xa nhất về phía bắc[7].

Sự sụt giảm mực nước biển vào giữa kỷ Than Đá đã làm lắng đọng các kết quả của sự tuyệt chủng chính trong đại dương, trong đó ảnh hưởng tới các loài huệ biển (lớp Crinoidea) và cúc đá (phân lớp Ammonoidea) đặc biệt trầm trọng[6]. Sự sụt giảm mực nước biển này cùng với sự phân vỉa không chỉnh hợp đi kèm tại Bắc Mỹ đã chia tách thế Mississippi ra khỏi thế Pennsylvania[6].

Kỷ Than Đá là thời kỳ của các hoạt động kiến tạo núi tích cực, do siêu lục địa Pangaea đã hình thành. Các lục địa phía nam vẫn gắn kết cùng nhau trong siêu lục địa Gondwana, nó va chạm với Bắc Mỹ-châu Âu (Laurussia) dọc theo đường phân chia ngày nay thuộc về miền đông Bắc Mỹ. Sự va chạm lục địa này tạo ra kết quả là kiến tạo sơn Hercynian tại châu Âu và kiến tạo sơn Allegheny tại Bắc Mỹ; nó cũng kéo dài dãy núi Appalaches mới nổi lên về phía tây nam thành dãy núi Ouachita[8]. Cùng trong khoảng thời gian này, phần lớn của phía đông mảng kiến tạo Á-Âu ngày nay cũng gắn nó với châu Âu dọc theo đường phân chia dãy núi Ural. Phần lớn của siêu lục địa Pangaea trong đại Trung Sinh vào thời gian này đã được gắn kết với nhau, mặc dù các lục địa Hoa Bắc (nó có lẽ đã va chạm vào cuối kỷ Than Đá), và Hoa Nam vẫn còn tách rời khỏi Laurasia. Pangaea vào cuối kỷ Than Đá có hình dạng tương tự chữ "O".

Khi đó có hai đại dương chính – đó là Panthalassa bao quanh Pangaea và Paleo-Tethys nằm bên trong chữ "O" của siêu lục địa Pangaea. Các đại dương nhỏ khác đang co lại và cuối cùng bị khép kín – bao gồm: đại dương Rheic (bị khép lại do sự kết hợp của Nam và Bắc Mỹ), đại dương nhỏ và nông là đại dương Ural (bị khép lại do sự va chạm của các lục địa Baltica và Siberi, tạo thành dãy núi Ural) cùng đại dương Proto-Tethys (bị khép lại do sự va chạm của các lục địa Hoa Bắc và Siberi/Kazakhstania.