В мире морских беспозвоночных преобладали две группы головоногих: аммониты и белемниты. Первые, близкие к современным наутилусам, насчитывали несколько сотен родов, сменивших друг друга в мезозое, с помощью которых можно точно датировать ископаемые. Среди них были весьма крупные, имевшие около 2,5 м в диаметре. Были и похожие на современных каракатиц; от них в основном сохранились только сильно минерализованные шпорцы, продолжение «кости» (внутренней раковины). Существовали и гигантские формы, достигавшие десятков метров. Закрепленные на морском дне морские лилии были иглокожими с пятилучевой симметрией. Несколько видов были выловлены в 1986 году между Новой Каледонией и Новой Зеландией.

Некоторые представители пресмыкающихся, опасные хищники, поселились в морях. Это были, в частности, плезиозавры и эласмозавры мелового периода (130-65 миллионов лет назад). Они имели в длину около 14 м, из которых 8 м составляла шея, и были прекрасными рыболовами, поскольку их голова была крайне подвижной. Среди морских пресмыкающихся известен также мозазавр, относящийся к группе современных ящериц. У всех этих морских видов конечности приобрели форму плавников.