Hiilikausi (eli “hiiltä sisältävä”) on geologinen ajanjakso, joka kesti noin 60 miljoonaa vuotta, Devonin ajanjakson 340 miljoonaa vuotta sitten (mya) ja Permin jakson välillä 280 mya.
Hiilikauden aikana suot ja metsät kukoistivat tuottamalla ylimäärä ilmakehän happea jopa 80% korkeammalle kuin nykyinen taso ja valtavat määrät hajoavaa orgaanista ainetta. Tämä orgaaninen aine muuttui lopulta hiileksi miljoonien vuosien maaperän ja sen yläpuolella olevan kiven paineen jälkeen, ja se on vastuussa suurten hiiliesiintymien olemassaolosta Englannissa ja Länsi -Euroopassa. Nämä hiilihapot, jotka ovat peräisin hiilen aikakaudelta, ruokkivat ensimmäistä teollista vallankumousta ja niitä louhitaan edelleen hiiltä.
Hiilikausi oli silloin, kun kuuluisa superkontinentti Pangea muodostettiin, noin 300-345 mya. Se syntyi, kun useat pienemmät maanosat työntyivät toisiinsa, jolloin syntyivät Appalakit, Atlasvuoret ja Uralit. Pangea oli niin suuri, että sen keskusta oli hyvin kuiva, mutta rannikkoalueet kukoistivat suuresta ja eksoottisesta kasvistosta ja eläimistöstä. Hiilikauden aikana eläimet pystyivät muuttamaan pohjoisnavalta etelänavalle. Kukkakasvun aiheuttama happiylijäämä johti jättimäisyyteen tietyissä sammakkoeläimissä ja hyönteisissä, mukaan lukien kaikkien aikojen suurin kehittynyt hyönteinen, sudenkorennan esi -isä, jonka siipiväli on 73 cm (29 tuumaa). Brachiopodit olivat yleisiä hiilen aikana, ja muinaiset lajit, kuten trilobiitti, alkoivat kuolla sukupuuttoon.
Hiilikauden aikana syntyneet suuret hiilipitoiset kerrostumat johtuivat kahdesta päätekijästä: kuoren kehittyminen puissa orgaanisen ligniinipolymeerin muodossa; ja alempi merenpinta, jolloin metsät ja suot voivat kasvaa tasangoilla, jotka olisivat aiemmin tulvinneet. Ligniini oli ratkaiseva kehitysetu monille puille, sillä se suojeli niitä ulkomaailmasta ja teki niistä vähemmän sulavia eläimille. Kesti monia miljoonia vuosia, ennen kuin bakteerit ja eläimet kehittyivät ja pystyivät sulattamaan tehokkaasti ligniiniä, mikä aiheutti suuria orgaanisen materiaalin kertymiä maahan, joskus jopa yli 2 metrin korkeuden. Ligniini muodostaa vielä neljänneksestä puoleen puuta kuivana. Se muodostuu laitoksessa poistamalla vesi tietyistä sokereista.
Hiilikausi voidaan jakaa sarjaan lyhyempiä osajaksoja, joiden kesto on noin 10 miljoonaa vuotta: Tournaisian, Viséan, Serpukhovian, Bashkirian, Moscovian, Kasimovian ja Gzhelian.