Alors que les stromatolithes continuent à être largement répandus, les foraminifères font leur apparition. La faune marine atteint alors une grande diversité avec plus de 500 familles représentées, dont la plupart n'existait pas au Cambrien supérieur.
Si au Cambrien on rencontrait une faune de prédateurs nageant au-dessus d'une faune de détritivores, à l'Ordovicien, phénomène notable, on observe un fort développement d'organismes filtreurs, cela est certainement à relier avec un acroissement très important du micro-plancton. On observe ainsi l'apparition des coraux , avec à la fin de l'Ordovicien la mise en place de l'écosystème récifal qui aboutira, après différentes péripéties, au grands récifs corraliens que nous connaissons aujourd'hui. Les mollusques bivalves, les graptolites , autres organismes filtreurs se développent. Les graptolites étaient des organismes vivant en colonies, soit fixées, soit dérivant dans les courants, ils auraient un ancêtre commun éloigné avec les vertébrés.

Les crinoïdes, les limules, les bryozoaires apparaissent à l'Ordovicien. Les bryozoaires sont en grand nombre et représentent les plus importantes colonies animales de l'époque. Tandis que de nombreux échinodermes à peine apparu disparaissent, les crinoïdes, invertébrés benthiques, attachés sur le fond des mers, deviennent un groupe important de filtreurs, l'Ordovicien n'étant que le début de leur réussite.
Les brachiopodes (phylum distinct des mollusques bivalves) sont d'une extraordinaire abondance, on assiste à une explosion des formes articulées (valves en carbonate de calcium et reliées par une charnière) qui deviennent les éléments majeurs du benthos (ensemble des êtres vivant sur les fonds aquatiques).
Les trilobites (déjà présents au Cambrien) sont florissant, ces arthropodes sont bien connus, ils perdurèrent un peu plus de 200 millions d'années puis disparurent, ils sont à leur apogée à l'Ordovicien.
L'Ordovicien voit aussi se développer des éponges, des cystoïdes du même groupe que les oursins actuels (les échinides) et les holothuries (concombres de mer, encore actuels) qui se manifesteront au cours de la deuxième moitié de l'Ordovicien.
Des mollusques céphalopodes, apparentés à nos pieuvres et à nos sèches sont bien développés. Parmi ceux-ci, les premiers nautiloïdés connaissent une intense diversification. Ils ne sont pas enroulés à la manière des nautiles actuels mais ont des cônes légèrement incurvés ou droits (Orthoceras par exemple). Certains orthocônes atteignent 4,50m de long avec une ouverture de 20 cm pour la dernière loge (image en début de page), ils étaient des prédateurs redoutables (mais pas les seuls prédateurs des mers de l'Ordovicien).

Les premiers vertébrés font leur apparition à l'Ordovicien, mais uniquement sous forme d'organisme à morphologie de poissons sans machoires (les Ostracodermes).
Couverts de plaques et dépourvus de machoires, ils vivaient sur le fond filtrant le substrat pour se nourrir.
Mais leur nombre demeura restreint tandis que d'autres groupes se développèrent (Pteraspidomorph) .