Organismu daudzveidība un evolūcija Proterozoja beigās Ediakaras bezskeleta organismu faunas strauji izzuda, un biotas attīstībā sekoja jauns posms – kembrijā masveidā radās ar skeletu apveltītie dzīvnieki (paši senākie, ļoti reti sastopamie skeletus veidojošie dzīvnieki tomēr atrasti ediakara nogulumos). Sākumā to sugu skaits bija neliels. Kembrija slāņkopas apakšējo daļu – Ternēves nodaļu – raksturo divas svarīgas grupas: arheociāti un "sīkie čaulaiņi", kas veido t. s. pirmstrilobītu faunas. Arheociāti – primitīvi sūkļi, dzīvnieki ar regulāras formas kausveida skeletu, kas sastāvēja no kalcija karbonāta (CaCO3), nosacīti vienpatņi vai koloniālie. Tie bija paši pirmie rifu veidotāji. Arheociāti bija plaši izplatīti siltajās, seklajās jūrās ar dzidru ūdeni, tāpēc to atliekas sastopamas Sibīrijā, Ziemeļamerikā un Austrālijā, kas tolaik atradās tuvu paleoekvatoram. Arheociātiem ir liela biostratigrāfiskā nozīme apakšējā kembrija iedalīšanā un korelēšanā. Līdz 20. gs. beigām tos uzskatīja par kembrija vidū pilnīgi izmirušiem dzīvniekiem, ko nodalīja atsevišķā arheociātu tipā, bet 21. gs. dažas arheociātu sugas atrastas mūsdienu okeānu dzīlēs.
"Sīkie čaulaiņi" – neliela izmēra gliemju, brahiopodu u. c. dzīvnieku čaulas, tārpu mājas no kalcija fosfāta (Ca3(PO4)2), vēlāk arī kalcīta (CaCO3), sīki (daži milimetri) skeletiņi – galvenokārt atrodami Fortūnas stāvā (Ternēves nodaļas apakšējā daļa). Šīs atliekas sastopamas Sibīrijā, Ziemeļamerikā, Ķīnā un citur. Lielu daļu no šiem skeletiem nevar attiecināt uz zināmajām sistemātiskajām dzīvnieku grupām. Kopā ar arheociātiem un “sīkiem čaulaiņiem” kembrija apakšējās daļas iežos sastop daudz pēdu fosiliju (ihnofosilijas).
Kembriju bieži sauc par trilobītu laiku: sākot ar Ternēves nodaļas otro stāvu (kuram ģeogrāfisks nosaukums pagaidām nav apstiprināts), griezumā dominē trilobīti, veidojot vairāk nekā 2/3 no kembrija fosilijām. Trilobīti kāpura stadijā bija planktona organismi, bet pieaugušie trilobīti bija aktīvi gultnes (bentiskie) dzīvnieki, kas labi pielāgojās dažādiem dzīves veidiem jūras ekosistēmās. Tie bija posmkāji ar trīsdaļīgu ķermeni – galvas vairogu, vairākiem vidukļa segmentiem un astes vairogu, posmotām nediferencētām ekstremitātēm staigāšanai, peldēšanai un elpošanai. Tikai kembrija nogulumos atrod mazposmu trilobītus, kam bija tikai divi vai trīs vidukļa segmenti; visiem pārējiem viduklī bija no pieciem līdz vairākiem desmitiem segmentu. Kembrijā trilobīti strauji izplatījās un piedzīvoja plašu adaptīvo radiāciju. Liela daļa sugu eksistēja neilgi, tāpēc trilobīti ir labas vadfosilijas, tiem ir liela nozīme biostratigrāfijā slāņu vecuma noskaidrošanai. Apakšējā kembrija trilobītu sugas ir līdzīgas dažādās vietās, un tiem raksturīga plaša izplatība, bet vidējā un augšējā kembrija trilobītu faunām ir tipisks provinciālisms, tie ir izplatīti noteiktā, nelielā teritorijā. Trilobīti kā klase eksistēja aptuveni 300 miljonus gadu, līdz permam ieskaitot, tāpēc uzskatāmi par tipiskām paleozoja fosilijām.
Kembrijā otra nozīmīgākā grupa – brahiopodi jeb pleckāji. Vecākie ir lingulātu brahiopodi ar hitīna-fosfāta vienkāršas uzbūves divvāku čaulu bez slēdzenes. Pirmie brahiopodi bija līdzīgi mūsdienu Lingula, kas dzīvoja seklās jūras plūdmaiņu līdzenumā (litorālē), mainīgos temperatūras un sāļuma apstākļos. Sākot ar Ternēves nodaļas otro stāvu, parādījās pirmie slēdzenes brahiopodi ar karbonāta čaulu un sarežģītāku uzbūvi: čaulai pie virsotnes bija slēdzene, ko veidoja zobi un kabatas, bija balsts t. s. roku aparātam, atvere vienā no vāciņiem, caur kuru ārā sniedzās kājiņa stiprināšanai pie substrāta. Dažiem brahiopodiem kājiņas atvere aizauga, jo tie cementējās pie cietā substrāta ar vāciņu vai brīvi gulēja uz tā virsmas.
Kembrija nogulumos tiek atrastas arī citu organismu fosilijas: ne tikai arheociāti, bet arī citu grupu sūkļi, piemēram, parastie sūkļi un sešstarsūkļi; no dzeļšūņiem – medūzas, pirmie koraļļi; no gliemjiem – monoplakofori, gliemeži (sākot ar otro kembrija nodaļu), gliemenes (otrajā un Miaolingas nodaļā), galvkāji (Furongijas nodaļā); gliemežiem līdzīgi hiolīti; tārpi; adatādaiņi un senākie hordaiņi. Florā dominēja ciānbaktērijas, kas, tāpat kā proterozojā, būvēja stromatolītus, kā arī sārtaļģes un zaļaļģes.
Daudzi pētnieki uzskata kembriju par lielu dabas eksperimentu laiku. Dabā izmēģinātas vairākas konstrukcijas, no kurām dažas, piemēram, gliemju, trilobītu, vēžveidīgo, izrādījās veiksmīgas un turpināja vai pat joprojām turpina eksistēt, un dažas tikpat ātri izrādījās nederīgas, piemēram, daudzie trilobītveidīgie un adatādaiņi ar kustīgi savienotām skeleta plātnītēm. “Evolūcijas sprādziena” liecības ir atrastas Kanādas Bērdžesas slānekļos (Burgess Shale), kur laikā no 1886. gada līdz 1924. gadam un no 20. gs. 70 gadu vidus līdz mūsdienām iegūti vairāki desmiti tūkstošu fosiliju, lielākā daļa endēmiski un pieder augsta ranga endēmiskiem taksoniem ar ļoti šauru areālu. Ķīnas Junaņas provinces Čengjangas slāņos atrastas apmēram 70 sugas; starp tām daudz posmkāju, bet daudz arī mīkstmiešu formas, tostarp primitīvi organismi, kas līdzīgi mugurkaulnieku senčiem. Līdzīgas faunas, t. s. Kaili biota, 20. gs. 90. gadu vidū atklātas arī Guidžou provincē. Visās šajās faunās bija daudz sugu, kas neatstāja pēcnācējus.
Baltija kembrijā atradusies diezgan tālu uz dienvidiem no ekvatora, tāpēc klimats šeit nav bijis tik labvēlīgs kā Sibīrijā, Ķīnā vai Laurentijā. Turklāt pārsvarā terigēnās sedimentācijas apstākļi nav bijuši labvēlīgi daudziem organismiem filtrētājiem, tādiem kā sūkļi, slēdzenes brahiopodi vai piestiprinātie adatādaiņi. Tāpēc organismu daudzveidība Baltijas kembrija griezumā nav tik augsta kā citur; šeit sastopamas trilobītu, retu brahiopodu, tārpu atliekas, kā arī akritarhus un pēdu fosilijas.