寒武紀過後，地球歷史平穩進入奧陶紀。奧陶紀(Ordovician period)是古生代的第二個紀，距今4.9～4.38億年，是海侵廣泛的壹個時期，這為無脊椎動物的進壹步發展創造了有利的條件。這壹時期，海生無脊椎動物不僅門類和屬種豐富，在生態習性上也有重要的分異。主要生物種類除三葉蟲外，還有筆石、鸚鵡螺、腕足類、珊瑚和腹足類等。奧陶紀還出現了原始的魚類。當時的海洋中，各式各樣的筆石隨處漂蕩，遊泳能力很強的各種鸚鵡螺在四處覓食，三葉蟲及腕足類等底棲生物也相當繁盛，珊瑚礁初具規模，還有許多蠕蟲類和節肢動物藏匿在藻叢和泥沙中，海洋初步具有生機勃勃的景象。
1.奧陶紀生物界的霸主鸚鵡螺
談到奧陶紀就不能不涉及鸚鵡螺，因為這種動物在奧陶紀的海洋中非常繁盛，保存在地層中的鸚鵡螺化石通常多稱角石。鸚鵡螺屬於軟體動物門頭足綱，現代海洋仍有少量卷曲鸚鵡螺生存，被稱為活化石。頭足類全部生活在海洋中，從淺海到大洋深處，從熱帶到寒帶都有它們的蹤跡。如果我們把無脊椎動物稱作低等動物，脊椎動物（包括人類）為高等動物，那麽頭足類就是低等動物中最高級的種類，其包括烏賊、章魚和鸚鵡螺、菊石、箭石等許多不同種類。它們的身體兩側對稱，頭部極其發達，具有壹對銳利的眼睛。之所以稱它們為頭足類，是因為它們的頭和足部全都發育在身體的同壹側，足在頭部的口周圍分裂成8～10條腕或觸手，能夠捕抓獵物、抵禦敵害。頭足類具有殼，只不過有的種類殼在體外，有的種類殼在體內或者退化消失，通過殼體氣室充氣量的變化和氣體的推進，其可以在海水不同深度遊泳生活，因此頭足類在無脊椎動物中與眾不同，是非常進步的生物。鸚鵡螺從寒武紀時就已出現，在奧陶紀迅速發展成為海洋中的壹霸，其具有堅硬的外殼，形狀像牛或羊的角，壹般是直的，也可以是彎的或盤卷的。鸚鵡螺從開始發育到最終長成，殼的直徑逐漸變大，肉體生長時不斷前移並分泌鈣質的殼，最後著生在殼體最前部，形成住室。住室後面向殼的尖端壹方則形成壹系列的氣室，氣室對其在海水中的升降和平衡具有重要的作用。鸚鵡螺死亡以後，肉體通常很難保存，只有硬殼才能夠保存成為化石。我國鸚鵡螺化石屬種非常豐富，北方奧陶紀地層中的鄂爾多斯角石、阿門角石、灰角石；南方奧陶紀地層中的震旦角石、盤角石、米契林角石等都是代表性屬種，它們長期以來被有效地應用於劃分對比地層。
奧陶紀的新疆，隨著世界性的海侵，海洋面積大為增加，古陸除和田－若羌壹線和準噶爾中部外零星支離。奧陶紀地層分布比寒武紀廣泛，主要出露於塔裏木盆地西緣的柯坪塔格山、庫魯克塔格山、阿爾金山和西昆侖、喀喇昆侖山等地。這些地區的奧陶紀地層記錄完整，均保存大量角石，類型包含華北形和華南形，並且有混生現象。角石對奧陶紀地層的劃分和對比最為重要。
2.塔裏木和庫魯克塔格的震旦角石
報道新疆鸚鵡螺化石的最早的學者是意大利人Gortani，其於20世紀30年代初從印度穿越喀喇昆侖山進入新疆，在喀喇昆侖山口北采集到大量早奧陶世的角石，經研究成果於1934年在意大利的古生物雜誌發表。
新疆奧陶紀角石保存最多的地區是柯坪塔格山和庫魯克塔格山的卻爾卻克壹帶，這裏整個奧陶紀地層保存完整，角石以中下奧陶統產出最多。下奧陶統以產內角石類為主，中奧陶統出產盤角石和震旦角石。震旦角石（Sinoceras）是在中國南方揚子地區中奧陶統建立的壹個角石新屬，代表種稱中華震旦角石（Sinoceras chinensis）。目前所知，它主要產於中國，是中國中奧陶世特有的標準化石之壹，其名Sino—（震旦）為中國之古稱。震旦角石個體長10余厘米到1米以上，外形長錐狀，形似“竹筍”，沿中部縱切面磨制後，內部層層隔壁疊置如“寶塔”，故民間俗稱“寶塔石”、“竹筍石”。
新疆的震旦角石主要見於柯坪和庫魯克塔格，個體相對較內地所產小壹些，但紋飾保存相當完好。此外，中奧陶世常見的盤角石在新疆也較為豐富，早奧陶世的內角石和中國北方特有的珠角石也很常見。晚奧陶世新疆的角石在中國類型獨特，與中國內地差異較大，而與西歐波羅的海壹帶的角石面貌極為相似，可見那時的新疆海域處在東西方的交界地帶。
3.筆石
新疆奧陶紀地層除角石外，筆石化石也很豐富。筆石屬於半索動物，壹般身體呈蠕蟲狀，左右對稱，全部生活在海洋中。半索動物曾經被列為脊索動物門的壹個亞門，理由是它的口索相當於脊索動物的脊索，很可能是脊索動物中最原始的壹類。從目前已有的研究資料看，半索動物是非脊索動物和脊索動物之間的壹種過渡類型。筆石在二疊紀末已經全部絕滅，我們今天只能通過化石來認識它們，這些古老的化石通常保存在巖石層面上，很像用鉛筆書寫的痕跡，故稱之為筆石。奧陶紀—誌留紀的筆石種類很多，其在海水中漂浮生活，可以到達很遠的地方。由於演化快、數量多、分布廣，具有重要的地層對比意義。
我國的筆石非常豐富，分布極廣，壹些世界性的標準屬種幾乎都在我國出現，還有壹些中國特有的種類。化石保存完好，層位齊全，其中許多是演化上的關鍵屬種，而且在我國出現較早，為研究筆石的系統分類、生態學及其演化等提供了難以替代的材料。新疆的筆石產出層位和角石壹樣，主要在奧陶紀，但角石多保存在石灰巖中，而筆石多保存在很薄的頁巖特別是暗色頁巖層中，產地主要在柯坪、庫魯克塔格和西天山的科古琴山等地。筆石通常以印模痕跡形態保存，但在新疆柯坪奧陶紀泥灰巖中，見有呈立體形態保存精美的筆石，在世界上是非常罕見的，對筆石構造和生態的研究具有重要意義。