Das Pennsylvanium ist die oberkarbonische Epoche in den Schichten Nordamerikas. Es folgt dem Mississippischen und geht dem Perm voraus. Das Pennsylvanium begann vor etwa 323 Millionen Jahren (Mya) und endete vor etwa 299 Mya.

Die in dieser Zeit typischen Kohlemaßnahmen sind die verfestigten Reste von dicht angereichertem Torf, der in ausgedehnten, wasser- und sauerstoffarmen Niederungen gebildet wurde. Solche Gebiete entstanden durch langanhaltende Überflutungen und stehende Gewässer, in denen abgestorbenes Pflanzenmaterial nur langsam zersetzt wurde. Mit zunehmender Sedimentüberdeckung, Druck und Temperatur verwandelte sich der Torf im Laufe von Millionen Jahren in Braunkohle und später in Steinkohle. Die Hauptphase der Kohlebildung im Pennsylvanium wird auf etwa 315–300 Millionen Jahre datiert.

Die Kohlewälder lagen damals in Äquatornähe. Die flachen Feuchtgebiete und Mangroven-ähnlichen Sümpfe zogen sich von Nordamerika im Westen über das Gebiet des heutigen Europa bis nach China im Osten, weil diese Landmassen zur selben Zeit teils zusammengelagert waren (das Großkontinent-Bündnis Laurussia). Die zentrale Flussebene, die das Herz dieser Feuchtgebiete bildete, erstreckte sich schätzungsweise über 5 000 km von Ostkanada bis zur Ukraine und war bis zu 700 km breit. p6 Damit wäre das Pennsylvania-Becken insgesamt größer als alle heute noch existierenden Feuchtgebiete der Erde.

Das Klima im Pennsylvanium war größtenteils warm und feucht in den äquatorialen Regionen, obwohl es durch wiederholte Eiszeiten auf der Südhalbkugel (Gondwana-Glazialphasen) zu zyklischen Meeresspiegelschwankungen kam. Diese Schwankungen führten zu den typischen abwechselnden Sedimentpaketen aus Kohleflözen, Ton- und Sandsteinen sowie Kalksteinen – den sogenannten Cyclothemen –, die in den Kohlemaßnahmen gut ausgeprägt sind.

Die Pflanzenwelt wurde von sehr großen Gefäßpflanzen dominiert: riesige Klumpmoose wie Lepidodendron (Baumartige Bärlappgewächse), die bis zu 30 m hoch werden konnten, sowie Sigillaria, baumgroße Schachtelhalm-Verwandte (Calamites), Farne und Samenfarne (Pteridospermen). Typisch sind großflächige Torfböden mit ausgeprägten Wurzelsystemen (z. B. Stigmaria).

Zu den typischen Tieren der Kohlewälder gehörten zahlreiche amphibische Tetrapoden; Amphibien waren die dominierenden Wirbeltiere in den Sümpfen. Gleichzeitig traten in dieser Zeit die ersten echten Landwirbeltiere mit vollständig unabhängigen Eiern (Amnioten) auf — frühe Reptilien und Synapsiden, die das terrestrische Leben weiter erschlossen. Insekten erreichten oft große Körpergrößen (z. B. libellenähnliche Formen), was vermutlich mit erhöhten atmosphärischen Sauerstoffgehalten zusammenhing.

Die geologischen und ökologischen Besonderheiten des Pennsylvaniums haben weitreichende Folgen: die großräumige Kohlebildung lieferte später die fossilen Brennstoffe, die entscheidend für die industrielle Entwicklung vieler Regionen wurden; paläontologisch liefern die Kohleflöze und ihre Begleitsedimente hervorragende Aufschlüsse über Pflanzen-, Tier- und Klimaentwicklung des späten Karbons.