Cenozoik Dönemin iklimi zamanla dalgalanıyordu: bu jeolojik dönem, Dünya'nın ısındığı ve daha sonra sert bir şekilde soğuduğu 65 milyon yıldan uzun sürdü. Cenozoic Dönemi 65 milyon yıldan daha önce başladı ve bugün devam ediyor. Buna bazen değişen kıtasal yapı ve daha ılıman koşullar olarak suda yaşayan türler ve kara memelileri de dahil olmak üzere pek çok yeni organizmanın büyümesini destekleyen "Memeliler Çağı" denir.
Cenozoik Çağ, Paleojen, Neojen ve Kuvaterner Dönemleri de dahil olmak üzere birkaç döneme ayrılır. Paleojen Dönemi, Cenozoik'in ilk bölümünü kapsar ve jeolojik olarak dönemin geri kalanından farklıdır. Bu süre zarfında, Dünya bir ısınma eğilimi gördü. Deniz sıcaklıkları arttı ve okyanuslar daha fazla yaşam formunu destekledi. Isınma iklimine ek olarak, Dünya denizlerinin yüzeyinin altındaki aktivite, öncelikle metan hidratların deniz tabanından salınması, yüksek su sıcaklıkları. Yeni organizmalara ek olarak, Dünyadaki kıtalar da modern biçimlerini üstlendi.
Cenozoic Çağının erken ısınma eğilimini izleyen bir soğutma dönemi buzulların oluşumunu sağladı. Ormanlar, soğutma evresinin ilk dönemlerinde Dünya'nın manzarasına hükmediyordu, ancak Cenozoik'in sonraki yarısı boyunca ovalar ve otlaklarla değiştirildi. Modern memeliler de, atlar, balinalar, daha çeşitli balık ve insan nüfusu dahil, ortaya çıktı.
