就无脊椎动物而言，志留纪有许多独特之处。最常见的化石包括笔石、腕足类、珊瑚等 。笔石以单笔石类为主,如单笔石(Monoraptus)、弓笔石(Cyrtoraptus)、锯笔石(Pristioraptus)和耙笔石(Rastrites)等,它们是志留纪海洋漂浮生态域中最引人注目的一类生物。早期并有自奥陶纪上延的双笔石类的代表，如双笔石(Di-ploraptus)和栅笔石(Climacoraptus)等。笔石分布广，演化快，同一物种可以在世界上许多洲发现。根据笔石演化的阶段特征及特殊类型的地质历程，在地层对比中有独特的价值。志留纪分统分阶的界线确定主要依赖于笔石带。
腕足动物的数量相当多，在浅海平底底栖生物中常占有绝对优势。所以，志留纪时代被誉为腕足类的壮年期。通常个体较大、铰合线短、发育匙形台和腕器官的五房贝族是最具特征的一类代表，它们始见于晚奥陶世，到志留纪达于鼎盛。具腕螺、铰合线较长的石燕族，始见于志留纪最早期，它的起源至今还是个谜。具腕螺、铰合线短的无洞贝族和无窗贝族自奥陶纪延续上来之后，一直稳定发展。在奥陶纪达于极盛的正形贝和扭月贝两大族，到志留纪明显衰落。
珊瑚和层孔虫也是志留纪较繁盛的两个门类，常见于生物礁、生物丘和生物层中。志留纪的珊瑚包括四射珊瑚、床板珊瑚和日射珊瑚，数量和属种类型繁多，至泥盆纪达于鼎盛。层孔虫的最盛期也在泥盆纪，所以志留纪是它们的准备期。这些生物都是今日海洋中早已灭绝了的，它们营固着底栖的生活方式，所以在地理分布上有明显的区域性，但其幼虫阶段可以浮游，又使其有可能广泛分布在合适的环境中。
腹足类和双壳类到志留纪仍继续缓缓地发展。它们在整个古生代，无论在丰度还是分异度上，都不如腕足类。腹足类和双壳类在今日海洋中占着优势，所以研究它们的生态及其生活环境，对于认识远古时期的这两个门类有重要的意义。
与奥陶纪相比，志留纪头足类中的鹦鹉螺明显减少，如奥陶纪常见的内角石类至志留纪时绝灭了，没有新的大类在志留纪中出现。中国南方下志留统顶部的秀山组盛产以四川角石(Sichunocers)为代表的鹦鹉螺化石，但无论在数量上还是分异度上，都不及奥陶纪。
海百合类是志留纪发育最成功的一种棘皮动物，在中国兰多维利世地层中常见的花瓣海百合(Petlocrin-us)和螺旋海百合(Spirocrinus)都是常见代表。它们的个体形状，与现代海洋中的相比，差别很大。志留纪海林檎的生活方式与现代的比较相似。
在节肢动物中，曾称霸于寒武纪的三叶虫，经过奥陶纪一度繁盛之后，到志留纪明显衰落。在局部地区和层段，地方性分子仍常见，并具有重要的地层对比意义。中国华南常见的王冠虫(Coronocephlus)、霸王虫(Se-nticucullus)等就是例证。介形虫与三叶虫相比，远处于劣势，但局部可以相当丰富。在兰多维利世晚期到普里道利世，介形虫还是有用的标准化石。板足鲎类(Eu-rypterids)是志留纪无脊椎动物中最重要的食肉类代表。它们能游泳。初现 于奥陶纪，它们最强烈的生态冲击是在志留纪和泥盆纪。与头足类中的菊石族不同，板足鲎类不仅见于海洋中，也到半咸水甚至淡水中生活。
牙形石在志留纪仍稳定发展它演化快、分布广,成为继笔石之后，对比志留纪地层的又一重要的化石。几丁虫(Chitinozo)在某些类型的沉积中也相当丰富，它个体很小，呈黑色，状如瓶颈、棍棒或小球。它的地层意义亦在增长。 志留纪的鱼化石是保存好而可靠的最早鱼类记录，但比较原始，数量不多。中国志留纪的鱼化石相对地较多，最早的代表见于兰多维利世的晚期。
志留纪地层中具有最早的陆生植物化石记录。志留纪后期出现大面积海退，半陆生的裸蕨类植物进一步繁育。
