第二次生物大灭绝发生于3.65亿年前的泥盆纪晚期，又被称作泥盆纪大灭绝。 泥盆纪时期陆地面积扩大，陆生植物、两栖动物开始出现和大发展，特别是脊椎动物飞速发展，爬行动物也开始出现。受第一次大灭绝的影响，一些动物躲进深海，因为深海受大气层变化影响较小，温度也更恒定。由于海水压力影响，它们的体型大大缩小，其中的代表就是鹦鹉螺。这个时期出现了有颌鱼，从此鱼类进入繁盛期，并开启了接下来的“鱼类时代”。这次生物大灭绝的起因则可能是小行星撞击带来的超级火山爆发，也有说是因为西伯利亚地下的岩浆突然爆发导致的。地球气候变冷、海平面大幅下降，导致海洋生物遭到重创，在这次大灭绝中，消失的物种虽然只有72%，不如第一次，但它的持续时间却是大灭绝中最长的。
