海洋中動物雖很大，但還有許許多多大小僅0.1-1毫米的微小動物，如單細胞的原生動物，現生的原生動物門的物種就達3萬種，地史上更多，而且化石數量巨大，常可形成巨厚堆積層，令人嘆為觀止。據其運動胞器可分為4個綱，其中肉足綱的有孔蟲亞綱和放射蟲亞綱在化石中最常見，也最重要。

有孔蟲始于晚寒武世，一直延續至今，它雖是單細胞，但殼體卻較復雜，而且個別有孔蟲可達4-5厘米。它初為小的初房、后細胞質不斷從口溢出而形成一個或多個室，口的位置及形狀多種多樣，殼室排列有單列、平旋、螺旋、纏旋、粟粒式等，殼質有果膠質，膠結質（把外來的有機質、硅質、海棉、骨針、放射蟲等交結在一起），鈣質等。殼的結構不同，且外殼還有許多孔，可伸出偽足，故稱有孔蟲，更令人驚訝的是它可以有性和無性繁殖相互交替，有空蟲多達4千多個屬3萬個種，分別于14個目，蜓有孔蟲目在確定石碳一二迭紀地層劃分對比甚重要。

放射蟲個體更小，僅0.1-0.5毫米，細胞內果膠質具小孔的中心囊可供囊內，外細胞質交流，放射蟲骨骼多為透明的硅質，體內骨骼， 1 為針狀骨，它僅一端連在殼體； 2 為殼樑，它兩端都連在殼體，放射蟲僅少數為殼針構成，而多數為殼樑構成，他們常構成放射性網格狀，放射蟲早寒武世已出現且延至今，共有8千多個種。

原生動物雖小，但骨骼卻很美麗。它們可確定地層時代和對比，尤其是石炭、二疊紀和中生代。由于它是海洋中食物鏈的重要一環，它吃有機顆粒，藻類，而又成為蠕蟲，甲殼動物、海膽、魚類等的食物。所以古生物學家可以利用它來了解海底底質和居群密度，了解水溫（冷水型為小殼、殼質膠結質；溫水為大殼，鈣質，特別許多化石具兩種穩定同位素¹⁶O和¹⁸O可測溫度）、水深、鹽度（低鹽屬種少，殼體小，殼薄）甚至可據它們分布范圍，還可推測地殼運動史。