Герцинский этап, продолжительностью около 125 млн. лет, охватывает девонский, каменноугольный (карбон) и пермский периоды.
Как мы видели, каледонский этап закончился господством материкового режима. Общий характер движений земной коры на протяжении герцинского этапа как бы воспроизводит картину движений каледонского этапа. Нижний девон унаследовал от силура поднятия литосферы, но затем следуют три крупные трансгрессии (средний и верхний девон, нижний карбон и верхний карбон с нижней пермью), разделённые кратковременными отступаниями моря. Заканчивается герцинский этап опять теократическим режимом. Хотя герцинский этап короче каледонского, — он богаче крупными орогеническими фазами, осложнявшими колебательные движения литосферы. Совокупность этих фаз составляет герцинскую складчатость.
Герцинские складчатые структуры (герциниды) как бы спаяли в одно целое древние Сибирскую и Русскую платформы и образовали ряд жёстких участков в Германии, Франции, Испании, к югу от Канадской и Бразильской платформ, к северу от Африканской и на востоке Австралии.
Обращаясь к климатическим изменениям на протяжении герцинского этапа, можно констатировать, что в его начале и в конце, когда соотношения между морем и сушей устанавливались явно в пользу континентального режима, наблюдаются и наиболее резкие климатические различия в разных пунктах земного шара. В девонских отложениях находят гипсы и ископаемые морены, т. е. в одних районах климат был сухой и жаркий, а в других холодный. Мощное оледенение охватило земной шар также в конце карбона и в перми, причём оно было сосредоточено преимущественно в нынешней экваториальной зоне и почти не затрагивало современных полярных и умеренных областей. Обильные ископаемые морены пермо-карбона обнаружены в Индии, в Африке и на Мадагаскаре к югу от южного тропика (тропика Козерога), в Австралии и Южной Америке. Общая площадь, покрытая ледниками во всех этих местах, была не менее 15 млн. кв. км.
В северном полушарии сформировались три климатические зоны, а именно (с севера на юг): северная влажная умеренная, засушливая и южная влажная тропическая. Засушливая зона в течение герцинского этапа то расширялась, то суживалась, как бы «регулируя» тем самым положение соседних зон. Особенно резкая редукция её в пределах Евразии была в нижнем карбоне, когда вследствие этого влажные зоны (умеренная и тропическая) сомкнулись; зато в верхнепермское время зона засушливого климата сильно разрослась.
Что касается южного полушария, то климат, суровый и холодный в эпохи оледенения, стал умеренным после отмирания ледниковых покровов. Засушливой зоны там не было.
Переломными моментами в истории органического мира надо считать: первое появление земноводных, насекомых (девон), пресмыкающихся (пермь), а из растений — хвощей, плауновых, папоротникообразных (девон) и голосеменных (карбон). Кустарникоподобные формации каледонского этапа вытеснены лесной растительностью, особенно мощной в карбоне и принявшей в то время большое участие в литогенезе (образование каменных углей). Каменноугольная растительность, в соответствии с отчётливой дифференциацией климатов, несла на себе яркую печать зональности. Так называемая тунгусская флора свойственна была северной умеренной зоне, вестфальская — влажной тропической. В умеренных областях южного полушария господствовали папоротники из семейства глоссоптерид. Признаков существования типичной полярной флоры на протяжении герцинского этапа не обнаружено.
Сильное развитие на суше высшей растительности сопровождалось огромным потреблением CO2 и выделением O2. Из-за уменьшения CO2 процессы выветривания получают несколько иной характер. Земная атмосфера по своему составу ещё больше приблизилась к современной. В связи с обилием высшей растительности, в герцинском этапе впервые оформляются и типы почв, похожие на современные.