Отложения кембрия и ордовика практически не сохранились в регионе: они были размыты в следующем периоде силуре (440417 млн. лет назад), когда море отсюда ушло. В то время Восточно-Европейская платформа заняла приэкваториальное положение и вплотную приблизилась к другому континенту Лаврентии.
В девоне (417354 млн. лет назад) они столкнулись, образовав единый континент Еврамерику. На их границе возникла огромная горная система. Фундамент платформы снова начал прогибаться, и в Подмосковье хлынули воды Уральского океана. Климат тогда был жарким. Здесь в девонских отложениях находят остатки панцирных рыб и конодонтоносителей. В Московской области эти отложения на поверхность не выходят, но достигают огромных мощностей (до 900 м) и сложены песками, глинами, известняками и доломитами (осадочными карбонатными породами) с прослойками гипса и каменной соли: последняя здесь является основным полезным ископаемым девона.
В карбоне, или каменноугольном периоде (354292 млн. лет назад), Восточно-Европейская платформа в составе Еврамерики переместилась в зону северных субтропиков. Огромная горная система, возникшая на предыдущем этапе геологической истории, тогда практически разрушилась и превратилась в цепь высоких холмов. С востока сюда приблизился континент Казахстания, а вслед за ним и Сибирский континент. Уральский океан сузился и теперь напоминал небольшой пролив. Почти вся платформа, за исключением наиболее выступающих её частей, была затоплена очень тёплым неглубоким Среднерусским морем. От исчезающего Уральского океана его отделяла цепь меридионально расположенных островов, впоследствии вошедших в состав Уральских гор.
Тёплое каменноугольное море было густонаселено: на дне обитали крупные фораминиферы фузулины (их известковые раковинки по форме и размерам напоминали рисовые зёрна), двустворчатые и брюхоногие моллюски, трилобиты, разнообразные иглокожие (морские ежи и морские лилии), брахиоподы, в том числе огромные гигантопродуктусы, чьи раковины были покрыты длинными иглами. В толще воды плавали головоногие моллюски с прямыми и завитыми многокамерными раковинами (родственники современных наутилусов), крупные акулы, кистепёрые и первые костистые рыбы палеониски. Возвышались рифы, построенные разнообразными кораллами и мшанками. Климат был влажным, поэтому по берегам этого моря росли леса из гигантских лепидодендронов (родственников современных плаунов), древовидных родственников хвощей (археокаламитов), папоротников и птеридоспермов, которые внешне напоминали те же папоротники, но размножались семенами. Эта растительность дала начало угольным месторождениям.
Отложения карбона распространены в Московской области повсеместно, их общая мощность достигает 500 м. Они сложены известняками, мергелями (осадочными породами смешанного глинисто-карбонатного состава) и глинами. Теперь их, как правило, перекрывают более молодые слои, но местами они обнажаются эрозионными врезами рек и повсеместно вскрыты карьерными выработками.
Каменноугольный период дал региону множество полезных ископаемых, в частности, крупные запасы угля Подмосковного буроугольного бассейна, которые люди ещёдо недавнего времени интенсивно разрабатывали. Кроме того, здесь есть глины различного состава (огнеупорные, тугоплавкие, легкоплавкие, мылкие и песчаные), издавна применявшиеся для изготовления кирпича и керамики, в том числе гжельские глины, на базе которых возник знаменитый фаянсовый промысел. Есть в каменноугольных отложениях области и железная руда.
В пермском периоде (292251,4 млн. лет назад) все континенты снова объединились в единый суперконтинент Пангею. Восточно-Европейская платформа всё ещё находилась в зоне северных субтропиков. С запада она была затоплена узким морским проливом, с востока то почти пересыхающим, то вновь разливающимся Среднерусским морем, соединявшим Палеотетис с Бореальным океаном. Нынешний подмосковный регион в то время был в основном приподнят и представлял собой постепенно нараставшую сушу, которая немного потеснилась только в середине перми, уступив морю, пришедшему с севера, но к концу периода опять отвоевала пространство. Море прекратило своё существование, оставив после себя огромные запасы каменной соли. Пермские отложения на территории Подмосковья не сохранились (в это время она была приподнята, как было сказано выше), а о том, что происходило тогда, известно по находкам из прилегающих областей (в основном Владимирской и Ярославской).