寒武纪形成的地层为寒武系。寒武系名称源于英国威尔士的一个古代地名Cambria，日语汉字音译为寒武山脉（坎布里亚山脉）。该地的寒武纪地层被最早研究。

寒武系底界的全球地层界线层型位于加拿大纽芬兰布林半岛西南部幸运角剖面，层型点位以遗迹化石足状毛藻迹首次出现作为标志。寒武系顶界即奥陶系底界，以加拿大纽芬兰地区绿岬剖面的牙形石分子流动古大西洋牙形石的首现作为标志。传统上，寒武纪一直三分，即早寒武世、中寒武世和晚寒武世。2004年以来，寒武纪被划分为4世10期，自下而上分别为纽芬兰世、第二世、第三世和芙蓉世。中国将寒武纪对应划分为滇东世、黔东世、武陵世和芙蓉世，滇东世分为晋宁期和梅树村期，黔东世细分为南皋期和都匀期，武陵世包括台江期、王村期和古丈期，芙蓉世划分为排碧期、桃源期和牛车河期。

寒武纪是生物进化史上至关重要的时期。寒武纪初期，大量个体微小的原始硬壳无脊椎动物（即小壳动物群）开始繁盛，代表性生物有软舌螺、单板类、腹足类、喙壳类、腕足类和分类位置不明的棱管壳、齿形壳等。小壳动物群是继埃迪卡拉动物群之后生物界又一次质的飞跃，完成了从无壳到有壳的演化历程。从地层学角度看，小壳动物群是划分前寒武纪和寒武纪界线的最好标志。澄江动物群，是20世纪80年代中国学者在中国云南澄江及晋宁地区寒武系底部（约距今5.4亿年）发现的软躯体化石群，主要包括多孔动物门、栉水母动物门、线形虫动物门、鳃曳动物门、动吻动物门、叶足动物门、腕足动物门、软体动物门、节肢动物门、棘皮动物门、半索动物门、尾索动物门、脊椎动物门及分类位置不明的类群，是从低等海绵动物到高等脊椎动物的早期代表。澄江动物群生动地再现了距今约5.4亿年海洋生命的壮丽景观和各门类动物的生态和原始特征。这一发现证明了后生动物在寒武纪初期爆发式出现（寒武纪大爆发），形成了以后生动物为主导的海洋生态系统。

早寒武世澄江动物群复原图（取自陈均远《动物世界的黎明》）

寒武纪地层中最为丰富的生物化石为三叶虫，其数量占生物化石总数的60%～70%，是继小壳动物后最繁盛的带壳动物，是寒武纪地层划分对比的重要依据；腕足类生物化石占生物化石总数的20%～30%；海绵动物、古杯动物、刺胞动物、软体动物、环节动物、牙形石、棘皮动物、笔石动物和非三叶虫的其他节肢动物等，占生物化石总数的10%～15%。依据三叶虫分布特点，寒武纪划分出了3个生物大区。第一个是亚澳生物大区，包括东亚、南亚、东南亚、西亚、澳洲和南极洲，以具有莱德利基虫为代表；第二个是北美-大西洋生物大区，包括北美、南美、西欧、西北欧和东欧，以发育小油栉虫为代表；第三个是西伯利亚生物大区，包括西伯利亚、中亚、南欧和北非等地，生物群兼有上述两大区的特点，但同时也具有一些独特的生物群。

寒武纪海侵发育，海相地层分布遍及全球，地层具有多样岩石类型，地层厚度极为悬殊，大者可达数千米，小者数百米。以中国为例，巨厚地层是以快速沉降海盆或海槽沉积的砂岩、页岩、硅质岩等为主的复理石或类复理石建造，间或夹以火山岩，分布于粤、桂、闽、湘南、赣南、甘肃中部等处；也有的以白云岩、白云质灰岩为主的非正常陆表海沉积或地台边缘沉积，如华中、西南等；还有滞流海槽相沉积，如浙西、甘肃北山、新疆霍城、皖南、赣北、湘中等地；另有生物礁，如华北、东北南部上寒武统的大涡卷状藻礁，华中、西南、黑龙江北部、天山东部的古杯动物（一种已绝灭了的与海绵相似的动物）灰岩或古杯礁。

寒武纪的气候比较温暖和干燥，主要表现在：①中国西南，伊朗、西伯利亚中部和摩洛哥有岩盐和石膏等蒸发岩。②中国北部和东北南部，巴基斯坦有红紫色页岩、砂岩、岩盐与石膏假晶和具有红紫色氧化外壳砾石的砾岩。③全球广泛分布鲕状灰岩、白云岩和海绿石。④中国长江中游、西南、新疆天山、黑龙江北部，西伯利亚、澳大利亚、南极、北美洲、摩洛哥、西班牙、意大利、挪威北部有古杯动物灰岩或古杯礁分布（古杯动物生活的水温被认为应不低于25℃）。

寒武纪是地壳比较稳定的时期，强烈的造山运动（主要是地壳升降的造陆运动）仅见于北亚萨莱伊尔-萨彦岭等局部地区。例如中国华北和东北南部等，在新元古代震旦纪时上升为陆（华北古陆），直至早寒武世后期（辛集期和昌平期）才开始下沉，从而导致海水上升，超覆于元古宙中期的前震旦纪地层之上。寒武纪局部的火山活动强烈，例如在中国甘肃中部、中亚、澳大利亚、英国、捷克和斯洛伐克等处都有大量的喷出岩。

中国南部和西北部、爱沙尼亚、瑞典发育寒武纪铀矿；中国西南、西北、华北地台南缘和哈萨克斯坦卡拉套、澳大利亚乔治娜盆地发育寒武纪磷矿；中国华南地区和塔里木地区滇东世和黔东世地层发育一系列黑色岩系，主要由黑色页岩、炭质页岩、炭硅质页岩、结核状磷块岩、粉砂质页岩等组成，厚度变化大，但层位稳定，分布在浙江、安徽、江西、湖南、广西、湖北、贵州、四川和陕西等地，在这套黑色炭系内蕴藏着丰富的页岩气及钒、镍等多种稀有元素矿床；中国四川省和吉林省、摩洛哥、伊朗、俄罗斯西伯利亚有岩盐和石膏矿；世界著名汞矿产于中国湘西、黔东一带寒武纪地层中，中国华南地区有一大部分钨矿产于寒武纪复理石和类复理石地层中。