晚古生界分布区域逐渐扩大，西部山区和东部山区均有出露，同时火山碎屑岩成分不断 增加。
　　　　一、泥盆系
　　　　在小兴安岭西北部，泥盆系出露较全，研究程度也较高。另外在张广才岭和密山县等地 也有零星出露。
　　　　（一）下泥盆统
　　　　下泥盆统在小兴安岭西北部共划分为5个组，各组间均呈整合接触。由陆源碎屑岩、火山 岩和少量碳酸盐岩组成。含有丰富的化石，厚度共计3800米左右。
　　　　该统的下部是西古兰河组，由凝灰质板岩夹结晶灰岩组成，产三叶虫、腕足类和珊瑚化 石，厚53米。中部是泥鳅河组和罕达气组，分别由砂板岩夹灰岩和片理化中酸性凝灰岩夹灰 岩组成，产有腕足类化石，厚1700米。上部是金水组和霍龙门组，分别由粉砂岩夹酸性凝灰 岩和细砂岩夹碳酸盐岩组成，产有腕足类、瓣鳃类和腹足类化石，厚1900米。
　　　　在张广才岭地区出露者称黑龙宫组，该组下部以碎屑岩和碳酸盐岩为主，上部是以安山 质火山岩为主。也含腕足、瓣鳃、珊瑚等化石，厚约3200米。
　　　　（二）中泥盆统
　　　　中泥盆统分布于小兴安岭西北部和密山县等地。
　　　　在小兴安岭西北部分两个组（德安组和根里河组）。德安组由砂板岩夹生物碎屑灰岩组 成。根里河组是砂板岩，底部夹流纹质凝灰熔岩组成，含有较丰富的化石，如腕足和苔藓虫 等，厚1320米。
　　　　在密山和宝清县交界处称黑台组，为陆源碎屑岩和碳酸盐岩组成，产珊瑚和腕足类化石 ，厚度2430米。
　　　　（三）上泥盆统
　　　　上泥盆统分布于大兴安岭北部和小兴安岭西北部，另外在东部宝清县境内也有出露。
　　　　在小兴安岭西北部为大河里河组，由砂砾岩夹板岩组成。厚约500米。产有腕足类化石。
　　　　在宝清地区出露者称老秃顶子组，以中酸性的火山岩为主，夹少量细碎屑岩。厚度1500 米，也产腕足类化石。
　　　　二、石炭系
　　　　石炭系在大小兴安岭出露较全，多为海相地层。另外在东部山区也有零星出露。
　　　　（一）下石炭统
　　　　下石炭统在爱辉县境内划分为小河里河组和罕达气组。小河里河组为陆相的碎屑岩组成 ，产植物化石，厚度不稳定，约400—700米，与上泥盆统的大河里河组呈不整合接触。其上 为罕达气组，由陆相的凝灰质砂砾岩组成，也产植物化石，厚270米。
　　　　在爱辉县东部下石炭统分为洪湖吐河组和库纳尔河组，由凝灰质砂砾岩和流纹质火山岩 组成，厚度近4400米，产海相的腕足类化石。
　　　　在东部延寿县有福兴屯组，是陆相的碎屑岩，产植物化石，厚1300米。
　　　　（二）中石炭统
　　　　中石炭统仅出露于爱辉县境内，称查尔格拉河组，由砂砾岩夹中酸性火山岩组成，厚度 400米。因该组整合于罕达气组之上，确定为中石炭统。
　　　　（三）上石炭统
　　　　上石炭统出露广泛，在大兴安岭，张广才岭和那丹哈达岭等地均有出露。在滨东地区称 唐家屯组和杨木岗组，为一套陆相的碎屑岩和火山岩所组成，厚度达3500米。产植物化石。
　　　　三、二迭系
　　　　二迭系广泛分布于大、小兴安岭、张广才岭和延边地区。
　　　　（一）下二迭统
　　　　下二迭统分布普遍。在滨东和伊春地区，该统由玉泉组和土门岭组组成。玉泉组以灰岩 为主，含有少量的碎屑岩和板岩，厚度为1000米。土门岭组为一套砂板岩，厚2400米。产有 珊瑚、腕足、苔藓虫、海百合茎，属海相沉积。在其它地区的沉积中，有陆相火山岩夹层。 从总的来看仍为海陆交互相。
　　　　（二）上二迭统
　　　　上二迭统在黑龙江省山区分布广泛。伊春和滨东地区分为2个组，下部为红山组，由一套 沉积碎屑岩组成，产有安加拉植物化石，并含有少量华夏植物化石，厚600米；上部称五道岭 组，由一套中酸性火山岩夹砂板岩组成，产有植物化石，厚达3500米。下二迭统和上二迭统 之间以及红山组和五道岭组之间，均无接触关系。在大兴安岭和东部山区的山间拗陷盆地， 也有类似的沉积。