Các lớp đá kỷ Than Đá tại châu Âu và miền đông Bắc Mỹ chủ yếu bao gồm các chuỗi lặp lại của các lớp đá vôi, sa thạch, đá phiến sét và than đá, được biết đến như là "cyclothems" tại Hoa Kỳ và "coal measures" tại Anh[9]. Tại Bắc Mỹ, các tầng đá thời kỳ đầu kỷ Than Đá chủ yếu là đá vôi nguồn gốc đại dương, giải thích cho sự phân chia kỷ Than Đá thành hai thời kỳ trong các hệ thống Bắc Mỹ. Các lớp than đá kỷ Than Đá cung cấp phần lớn nguồn nhiên liệu cho việc sản xuất năng lượng trong thời kỳ Cách mạng công nghiệp và vẫn còn tầm quan trọng kinh tế lớn trong thời kỳ ngày nay.

Các trầm tích than đá lớn trong kỷ Than Đá chủ yếu là do hai yếu tố. Yếu tố đầu tiên trong số này là sự xuất hiện của các cây thân gỗ có vỏ (và cụ thể là sự tiến hóa của các sợi lignin trong vỏ). Yếu tố thứ hai là các mực nước biển thấp hơn đã diễn ra trong kỷ Than Đá khi so sánh với các mức tương tự của kỷ Devon. Điều này đã cho phép sự phát triển của các đầm lầy và rừng rộng lớn vùng đất thấp tại Bắc Mỹ và châu Âu. Một số học giả đưa ra giả thuyết rằng một lượng lớn gỗ đã bị chôn vùi trong thời kỳ này là do các động vật và các vi khuẩn phân hủy vẫn chưa kịp tiến hóa để có thể tiêu hóa được lignin một cách có hiệu quả. Sự chôn vùi rộng lớn của cacbon sản xuất sinh học đã dẫn tới sự tạo thành một lượng ôxy dư thừa trong khí quyển; người ta ước tính khi đó nồng độ ôxy có thể lên cao tới 35% so với chỉ khoảng 21% ngày nay . Mức ôxy cao này có lẽ đã làm gia tăng các hoạt động cháy rừng cũng như tạo ra các loài côn trùng và động vật lưỡng cư khổng lồ.

Tại miền đông Bắc Mỹ, các tầng trầm tích đại dương phổ biến hơn trong các phần cổ hơn của thời kỳ này khi so sánh với các phần trẻ hơn gần như là không có mặt vào cuối kỷ Than Đá. Sự sống đại dương khi đó đặc biệt giàu các loài huệ biển và các loài khác trong cùng ngành Da gai (Echinodermata). Các loài thuộc ngành Tay cuộn (Brachiopoda) là rất phổ biến trong khi các loài trùng ba thùy (lớp Trilobita) trở thành ít phổ biến. Trên đất liền, các quần thể lớn và đa dạng của thực vật đã tồn tại. Các loài động vật có xương sống trên đất liền bao gồm cả các loài động vật lưỡng cư lớn.