Le climat s'est sensiblement refroidi durant cette période ; cette tendance culmine pendant les glaciations du Pléistocène.

Étendue des calottes et inlandsis de l'hémisphère nord lors du dernier maximum glaciaire

Le Miocène (23,3Ma – 5,3Ma)

Les continents ont poursuivi leur mise en place. La principale différence avec la géographie actuelle est la séparation de l’Amérique du Nord avec l’Amérique du Sud. L’Amérique du Sud se rapproche de la zone de subduction ouest de l’océan Pacifique provoquant l’élévation de la cordillère des Andes et l’extension vers le sud de la péninsule mésoaméricaine. Les montagnes jeunes du nord-ouest de l’Amérique et en Europe ont continué leur formation. Les dépôts datant du miocène sont communs partout dans le monde. Les affleurements marins se retrouvent dans des zones proches des côtes modernes. La plaque indienne continue sa collision avec l’Asie, l’Himalaya continue son élévation, processus encore en cours de nos jours. La mer Téthys finit de disparaître pour laisser la place à la Méditerranée, vers la fin du Miocène le détroit de Gibraltar se ferme et la Méditerranée s’assèche, épisode qui marque la crise de salinité messinienne. Cet épisode se termine au début du Pliocène par l’ouverture du détroit de Gibraltar.

Le climat devient plus sec durant le Miocène, la température baisse et l’humidité de l’air diminue, l’Australie devient semi-aride. Plus de 100 espèces d’hominidés existe durant le Miocène. C’est durant cette période que la lignée humaine et la lignée des chimpanzés et autre grands singes se séparent.

Le Pliocène (5,3Ma – 1,8Ma)

Les forêts tropicales continuent à se réduire et n’occupent plus qu’une étroite bande autour de l’équateur, laissant la place à des savanes, les graminées conquiert tout les continents. Les forêts tempérées d'arbres à feuilles caduques s’étendent aux latitudes moyennes. Les conifères et la Toundra couvrent les latitudes élevées de l’hémisphère nord, l’Antarctique devient un désert glacé.

1. En Amérique du Nord, les rongeurs, de grands mastodontes et Gomphotherium, et des opossums continuent à être communs tandis que les ongulés déclinent tel les chameaux, cerfs et chevaux. Les rhinocéros, tapirs et Chalicothère s’éteignent. Les familles de carnivores se diversifient, mustela, chiens, ours, canidés. Des paresseux vivant au sol, des Glyptodons et des tatous émigrent vers le nord en traversant l’isthme de Panamá.

2. En Eurasie, les rongeurs prospèrent tandis que la distribution des primates diminuent. En Asie les éléphants, stégodon et gomphotherium sont nombreux et les Hyracoidea émigrent d’Afrique vers le nord. La diversité des équidés diminuent, les tapirs et les rhinocéros se comportent plutôt bien. Les bovidés et antilopes s’étendent, des espèces de chameau émigrent depuis l’Amérique du Nord. Les hyènes et les tigres à dents de sabre apparaissent.

3. L’Afrique est dominé par les ongulés, les primates continuent leur évolution, les premiers hommes apparaissent pendant le Gélasien. Les rongeurs sont prospères, la population des éléphants augmente. Le nombre d’espèces de bovidés augmente et devient supérieur à celle des porcins. Les premières girafes apparaissent, les premiers chameaux émigrent via l’Asie depuis l’Amérique du Nord. Les ursidés, canidés et mustélidés, eux aussi originaires d’Amérique du Nord, se joignent aux félidés, hyènes et civettes d’Afrique, forçant les hyènes à se spécialiser en nécrophage.

4. Le grand échange inter-américain permet aux espèces nord-américaines de se mélanger avec celle de l’Amérique du Sud pour la première fois depuis le Crétacé, les rongeurs et primates nord-américains ainsi que des mustélidés et des coatis émigrent vers le sud. Les litopternes et les Notoungulata déjà présent continuent à prospérer tout comme les glyptodons, des paresseux et des tatous

5. En Australie les marsupiaux restent dominant, ceux ci inclus des wombats et des Kangourous. Leurs principaux prédateurs sont des Dasyuromorphia, Thylacinidae et Thylacoleo. Les ornithorynques apparaissent.

Le Pléistocène (1,8Ma - 11430a)

Il couvre la plupart des récentes glaciations incluant le Dryas récent qui interrompit momentanément la dernière déglaciation.

Le climat est caractérisé par des cycles de glaciation pendant lesquels des glaciers continentaux sont descendu jusqu'au 40e parallèle. Lors de l'extension maximale des glaces, 30 % de la surface de la Terre est couverte par les glaces. Le permafrost s'étend de la limite des glaces à plusieurs centaines de km plus au sud. La température annuelle à la limite des glaces est de -6° C et de 0° C à la limite du permafrost. Les effets des glaciations sont globaux.

1. Dans l'hémisphère sud, l'Antarctique est couverte par les glaces durant tout le Pléistocène ainsi que pendant le Pliocène précédent. Le sud de la Cordillère des Andes est couvert par le glacier de Patagonie, il existe des glaciers en Nouvelle-Zélande et Tasmanie, les glaciers du Mont Kenya, du Kilimandjaro et du Rwenzori dont il ne reste plus rien ou seulement des traces étaient très étendus. Les montagnes éthiopiennes et la chaîne de l'Atlas comportent aussi des glaciers.

2. Dans l'hémisphère nord de nombreux glaciers fusionnent pour former des glaciers continentaux. L'inlandsis scandinave s'étend jusqu'en Grande-Bretagne. Deux inlandsis couvrent une partie de l'Amérique du Nord. Les glaciers alpins descendent jusqu'à Lyon. Les avancées glaciaires produisent des glaciers continentaux d'une épaisseur de 1 500 à 3 000 mètres. Le volume de glace emprisonné est la cause de la chute du niveau de la mer de 100 m ou plus. Pendant les périodes interglaciaire les côtes noyées par la remonté des eaux sont fréquentes, cette remontée des eaux est mitigé dans certaines région par le rebond isostatique du plateau continentale.

Lors de la dernière période interglaciaire de grand lacs se forment en Amérique du Nord, le lac Bonneville, qui disparaît par évaporation et dont il ne reste de nos jours que des vestiges, se forme il y a 32 000 ans. Le Lac Agassiz de formation plus récente, 13 000 ans, qui couvre plus de 400 000 km², se vide périodiquement vers le Golfe du Mexique ou la Baie d'Hudson, les apports en eau douce froide vers l'Atlantique Nord ont un impact sur le climat européen.

Lors d'une période glaciaire, les phénomènes suivant se produisent suite au refroidissement climatique :

1. formation d'inlandsis : des inlandsis s'installent progressivement sur les zones continentales des hautes latitudes, avec une épaisseur maximale de l'ordre de 3 km, et fluent vers leurs marges.

2. baisse du niveau de la mer (glacio-eustasie) : le stockage de glace sur les continents provoque la baisse du niveau des océans (de l'ordre de 120 m pour le dernier Glaciaire) et provoque l'émersion d'une partie des plateaux continentaux.

3. mouvements tectoniques verticaux (glacio-isostasie) : sous le poids de la glace, des mouvements tectoniques verticaux affectent les zones englacées et leur marges (enfoncement lors de la glaciation, soulèvement ou rebond lors de la déglaciation).

4. modification de la circulation océanique : la circulation océanique mondiale est complètement transformée (avec des influences réciproques, complexes et méconnues dans le détail, sur le climat).

Les causes des glaciations ont été l'objet de nombreux débats, depuis que le phénomène a été clairement identifié au XIXe siècle. Les théories modernes retiennent souvent une relation avec les oscillations périodiques de l'orbite de la Terre (cf. les paramètres de Milankovi?), associée à des variations hypothétiques et périodiques dans le rayonnement solaire ou les effets d'un déplacement d'importantes masses continentales vers les régions polaires.