石炭纪（Carboniferous period）是古生代的第5个纪，始于距今约3.55亿年至2.95亿年，延续了6000万年。石炭纪时陆地面积不断增加，陆生生物空前发展。当时气候温暖、湿润，沼泽遍布，大陆上出现了大规模的森林，给煤的形成创造了有利条件。由于这一时期形成的地层中含有丰富的煤炭，储量约占全世界总储量的50%以上，因而得名“石炭纪”。石炭纪又是地壳运动非常活跃的时期，因而古地理的面貌有着极大的变化。这个时期气候分异现象十分明显，北方古大陆为温暖潮湿的聚煤区，冈瓦纳大陆却为寒冷的大陆冰川沉积环境。气候分带导致了动、植物地理分区的形成。石炭纪陆生生物飞跃发展，海生无脊椎动物也有所更新。与泥盆纪相比，类是石炭纪海生无脊椎动物中新兴的最重要的类群，而腕足动物、珊瑚依旧占相当重要地位，头足类则以菊石迅速发展为主。在石炭纪晚期，脊椎动物演化史出现一次飞跃，两栖动物、爬行动物的发展表明脊椎动物从此摆脱了对水的依赖，以适应更加广阔的生态领域。生活在陆上的昆虫，如蟑螂类和蜻蜓类，是石炭纪突然崛起的一类陆生动物。石炭纪是植物世界大繁盛的代表时期。早石炭世的植物面貌与晚泥盆世相似，古蕨类植物延续生长，但只能适应于滨海低地的环境；晚石炭世植物进一步发展，除了节蕨类和石松类外，真蕨类和种子蕨类也开始迅速发展。
石炭纪地层是新疆古生界出露最为广泛的沉积单元，对新疆地质的研究意义最为重大。这一时期早期，整个新疆以海洋环境为主，北疆地区火山活动仍非常强烈，局部时期个别地方为陆相沉积。晚期，新疆北部陆地面积迅速增大。晚石炭早期，海水退出阿尔泰山地区，石炭纪末期整个准噶尔和天山绝大部分地区隆起为陆地，南天山和塔里木、昆仑为海洋环境。
1.乌鲁木齐祁家沟的晚石炭纪动物群
石炭纪中期，博格达山包括乌鲁木齐南部山地为一巨大的海洋。在乌鲁木齐东南的祁家沟一带石灰岩中保存有大量多门类海相无脊椎古生物化石。主要有腕足类、双壳、腹足类、菊石、海百合茎、珊瑚等。此外还有类、苔藓虫、喙壳类、有孔虫等微体或不甚重要的化石。这些化石经过近30余年的收集研究，大部分经新疆地矿局第一区调大队古生物科研人员整理研究，于1981年发表于《西部地区古生物图册新疆维吾尔自治区分册》一书中，部分成果也由相关科研人员包括中国地质科学院、南京地质古生物研究所科研人员以论文的形式发表于古生物学报等专业杂志中，建立和命名了大批新属种，因此祁家沟作为海相古生物化石产地，与准噶尔盆地石钱滩等处在国内地质古生物界具有一定知名度。
祁家沟一带最为常见的数量最多的化石为腕足类，其常成层富集保存，种类多，数量大。除石燕类外，最为常见的有长身贝类。主要属种有分喙石燕、新石燕、网格长身贝、线纹长身贝、戟贝、围脊贝、舒克贝、纹窗贝、轮刺贝、波斯通贝、扇房贝、拟穆武得贝等。祁家沟所产双壳类为海洋类型，其多生活在滨浅海地带，主要属种有威氏蛤、血石蛤、美铰蛤、裂齿蛤、卵石蛤等。祁家沟腹足类化石也较多，主要有全脐螺、圆脐螺、似玉螺、神螺、丰硕螺等，大多形态优美，但个体较小。菊石化石相对较少，祁家沟历年来仅发现十余枚，成果已由中国地质科学院发表，属种为新诺利菊石、索莫霍菊石、始亚洲菊石等几个属种。
此外，祁家沟所发现的单体四射珊瑚有提曼珊瑚、杯珊瑚、顶柱珊瑚等，床板珊瑚主要有笛管珊瑚、多壁管珊瑚等，呈复体礁状。
祁家沟地区石炭纪与二叠纪地层为连续沉积且石炭纪化石丰富，对研究新疆石炭系和二叠系的年代界线及天山地质演化史具有一定意义。因为新疆北部地区这种连续沉积剖面较为少见，因此常有国内地质专家、学者来此考察。祁家沟剖面具备地层露头好、化石丰富、沉积连续、交通方便等特点和优势。事实上，在地质业内，这一点早已得到肯定。从1977年在新疆召开的北方槽区会议开始的多次重要地质会议，祁家沟剖面一直作为一条参观剖面。国内也有多位地质学院士和大批地层古生物专家在此进行工作和考查。新疆地矿系统及大专院校地学部也将本区作为剖面教学、野外业务培训及比武的基地。
从地质科研、地质教学方面讲，祁家沟剖面及古生物化石应该说具有较重要价值，虽然基础科研采集和研究已在20世纪80年代间基本完成，但还需给予适当保护以备后人进一步研究之需。
2.奇台石钱滩的晚石炭世动物群
石钱滩位于奇台县北将军戈壁双井子东南一带低山区，是3亿年前晚石炭世一处具有重要地质意义的史前海相古生物化石保存地。最早研究该地化石的是著名地质学家袁复礼教授，他将保存这些化石的地层命名为“石钱滩建造”和“双井子建造”。这里保存的化石有棘皮动物海百合和珊瑚、腕足类、腹足类、头足类、双壳类、苔藓虫类等多门类海相化石，且大多比较完整，其中相当一部分经研究为《新疆古生物图册》中的经典分子和新属种。石钱滩目前也成为奇台县的旅游景点之一。
所谓“石钱”，是棘皮动物海百合茎体化石风化破碎的产物，其呈圆的石片状外轮，中间有个圆孔、五角形孔，外形像古钱币而得名。海百合茎化石在古生代演化不明显，在地层古生物研究中，并不是主要化石门类，鉴定地层时代的意义不大。但茎、碗、冠保存完整的海百合化石形如树状植物，具有一定观赏性而受到人们喜爱。
石钱滩最有地层研究意义的化石是腕足、珊瑚、头足类（鹦鹉螺和菊石）、双壳类，其属北方型动物区系，冷温水交界地带的产物，生物区系独特。腕足化石以分喙石燕、扇房贝、直形贝为主，属种丰富；鹦鹉螺以卷曲状鹦鹉螺为主，菊石为缝合线精美的腹菊石类；双壳类以海扇、蛤类为代表。这些介壳和海百合化石经漫长的风化，自然剥离而出，保存极为完好，易于鉴定和研究，加之生物类型独特，因而受到古生物界的关注。对该动物群的研究工作迄今仍在进行之中。
3.乌什燕子山
乌什是阿克苏西部一座偏远的小城，燕子山又叫乌赤山，位于县城西，是一座200多米高的小山。山体为石炭纪灰岩，因产石燕类腕足化石，故有燕子山之称。目前地方政府已在附近修建燕泉公园，燕子山也成为阿克苏地区的旅游景点之一。燕子山产腕足等多门类化石，其中以石燕类的分喙石燕、新石燕为多。石燕化石前面我们已经提到，这里再作一些介绍。
作为中药用的化石中，除龙骨（脊椎动物化石）外，石燕恐怕也是最常见的了。据李时珍《本草纲目》记载，石燕有清凉解毒、镇静安宁的作用。但从其化学成分来说，基本上是碳酸钙，与一般的石灰岩并无差别。只是埋藏在地层内的时间很久，一般都有几亿年的历史，与普通碳酸钙有所不同是碳酸盐交代化石体形成的，是否就因为这一原因才能作医药之用？目前科学上还无法解释。
古生物学的研究早已证实石燕是一种古代海洋中营固着生活的腕足动物的化石，而不是燕类或蝙蝠化石。那为什么会把它当作飞燕的化石呢？说来话长，早在晋代时，著名画家顾恺之（约公元345～406年）在其所著《启记》中曾提到：“零陵郡有石燕，得风雨则飞如真燕。”可算是有关石燕化石的最早记录。但从此以后，就认为石燕是飞燕的化石，遇风雨，还能“起死回生，”鼓翅飞翔呢！这位大画家的一句话，竟谬种流传，贻误非浅。
此后，北魏时代的著名地理学家、文学家郦道元（公元466～527年）在其名著《水经注》中就有类似的沿用记述：“石燕山（在今湖南祁阳）有石绀而状燕，其石或大或小，若母子焉。及雷雨相薄，则石燕群飞，颉颃如真燕矣！”这段文字，颇有绘声绘色之妙。说的是祁阳石燕山，出产变成石头的蚶子，形态像燕，有大有小，若母子之分。每当雷雨之际，石燕会像燕子似的飞翔起来。据目前掌握的地质资料核查，祁阳广布晚泥盆世的海相地层，特别在石灰质岩层内，盛产石燕化石，由于《水经注》是一部地理学的古典名著，石燕会飞的论述令人相信，以致广为流传了。
到了唐代，开始注意到石燕有治病的功能，于是入药。同时，也对传说中的石燕是否会飞的问题给予明确的回答。如李（公元584～669年）主持编纂的《新修本草》中提到“永州祁阳西北一十里，有土冈上，掘深丈余取之，形如蚶而小，坚如重石也。俗云，因雷雨则自石穴中出，随雨飞坠者，妄也。”这段见解独到的文字，指出石燕的形态与蚶子相似，又坚如石，沉重。但不会飞，将其视作飞燕，是风马牛不相关的。
新疆泥盆纪－石炭纪石燕化石相当丰富，燕子山仅因距县城较近的优势成为一处此类化石产地的代表，塔里木西南缘、南天山尚有许多保存完整尚未开发的石燕化石产地。石燕类是腕足化石中最为重要的一个大类群，其从志留纪到二叠纪地层均有产出，由于形状多样，纹饰发育，是腕足类中划分地层最为重要的化石，二叠纪末期，全部灭绝。
4.管孔石燕、大长身贝和细线贝
新疆早石炭世早期的代表腕足化石为管孔石燕，这类腕足仅见于北天山和其以北的准噶尔地区，为北型生物区系的腕足化石，国内见于内蒙古、黑龙江等地。
早石炭世晚期为世界性的大海侵时期，整个天山和塔里木地区皆为海洋环境，沿海岸浅水地带普遍生活有两种大型腕足类——大长身贝和细线贝，这两种腕足类为中国南方早石炭世的典型化石，在大海侵时期分布跨越天山，但未出现于准噶尔地区。北天山是早石炭世两大腕足类群的分界线，但在有限的区域内两大腕足类群叠覆共存。今天，这两种化石是早石炭世的标准化石，由于其易于发现和鉴定，对新疆石炭纪地层研究很有意义。在伊犁等地的该期地层中，这种化石常呈介壳层产出，为昔日海滩的最好见证。1957年，北京地质学院杨式缚曾对博罗科努山北坡共存的两种腕足动物化石群进行过系统采集研究，于1964年出版了相关专著。
5.新疆的蜓与菊石
除腕足、珊瑚等化石外，新疆石炭纪蜓和菊石化石也非常丰富，并对石炭纪地层的划分具有重要的价值。蜓是全球石炭纪灰岩中多见的一种特殊的有孔虫化石，大米粒般大小，原名纺锤虫，著名地质学家李四光早年在中国首次研究这种化石将其译为蝌化石，目前简称为。从早石炭世晚期出现，二叠纪末灭绝，因演化迅速，为石炭纪—二叠纪的标准化石，对全球石炭纪－二叠纪的地层划分和对比相当重要。新疆石炭纪化石丰富，天山、昆仑山普遍可见。含密集的石灰岩经磨制抛光，可供观赏和作为高档建材。
菊石从泥盆纪开始出现，到石炭纪成为一种重要化石。菊石体内用于支撑壳体的隔壁因加固需要，从简单到复杂弯曲演化迅速。隔壁与外壳体衔接处形成的复杂线体叫缝合线，各时代各属种的菊石缝合线千姿百态，其如同一种古老文字，使菊石成为化石界最为理想的、可以准确确定地层时代的标准化石，同时也使菊石的美观度大大增加，菊石也因此而得名。新疆石炭纪菊石是我国保存最好、分布层位最多的地区，以准噶尔、天山和喀喇昆仑为主要产地。依据菊石属种建立的化石带相当于时间带，可以把石炭纪分的很详细。
新疆石炭纪的古植物化石也较为丰富和独特，从早石炭晚期起，新疆局部地区有陆地存在，大体以天山为界，北属安加拉植物群，南为华夏植物群，是研究石炭纪植物区系的理想之地，所产的准安加拉羊齿、脉羊齿化石是两大古植物区系的代表性属种。但总体而言，石炭纪的新疆陆地面积小，大型乔木类植物少，除昆仑山前局部地区外，没有形成可供开采的煤矿。新疆大量的煤均形成于侏罗纪。