Климат Земли в течение был значительно теплее современного, однако отличался многократными флуктуациями с общей тенденцией к относительному похолоданию (от палеогена к четвертичному периоду). Даже в пределах Арктики произрастали смешанные леса, а на большей части Европы, Северной Азии и Северной Америки растительность имела тропический и субтропический облик. Обширные поднятия материков во 2-й половине кайнозойской эры вызвали осушение значительной части шельфа Северной Евразии и Северной Америки. Увеличились контрасты между климатическими поясами, наступило общее похолодание, сопровождавшееся мощными материковыми оледенениями Европы, Азии и Северной Америки. В Южном полушарии резко увеличились в размерах ледники Анд и Новой Зеландии; оледенению подверглась также Тасмания. Оледенение Антарктиды началось ещё в конце палеогена, а в Северном полушарии (Исландия) — с конца неогена. Повторяемость четвертичных ледниковых и межледниковых эпох обусловила в Северном полушарии ритмические изменения во всех природных процессах, в т.ч. и восадконакопление. Последний по времени ледниковый покров в Северной Америке и Европе исчез 10-12 тысяч лет назад [см. Четвертичная система (период)]. В современную эпоху 94% объёма льдов сосредоточено в Южном полушарии Земли. В четвертичный период под воздействием тектонических (эндогенных) и экзогенных процессов сложился современный рельеф поверхности Земли и дна океанов. В целом для кайнозойской эры характерны неоднократные изменения уровня Мирового океана.