El Cenozoico se divide en tres períodos: Paleógeno, Neógeno y Cuaternario; los cuales a su vez se dividen en épocas. El Paleógeno comprende las épocas Paleoceno, Eoceno y Oligoceno, el Neógeno comprende Mioceno, Plioceno, mientras que el Cuaternario comprende las épocas Pleistoceno y Holoceno, la última de las cuales está actualmente en curso.^[2]​^[3]​ El antiguo período terciario comprendía Paleógeno y Neógeno.

Geológicamente, el Cenozoico es la época en que los continentes se trasladaron a sus posiciones actuales. Australia-Nueva Guinea se separaron de Gondwana y derivaron al norte y se acercaron al Sureste de Asia. La Antártida se trasladó a su actual emplazamiento sobre el Polo Sur. El Océano Atlántico se ensanchó, y más tarde, Sudamérica se unió a Norteamérica con la formación del Istmo de Panamá.

La India colisionó con Asia hace 55-45 millones de años, comenzando con la formación del Himalaya. Al mismo tiempo, Arabia colisionó con Eurasia, cerrando el mar de Tetis hace unos 35 millones de años.^[7]​ Como consecuencia de ello, se produjo la Orogenia Alpina que formó las principales cadenas montañosas del Sur de Europa y Asia, comenzando en el Atlántico, pasando por el Mediterráneo y el Himalaya y terminando en las islas de Java y Sumatra. En concreto, se formaron de oeste a este: Atlas, Cordilleras Béticas , Sierra Nevada (España), Pirineos, Alpes, Alpes Dináricos, Pindo, Balcanes, Montes Tauro, Cáucaso, Montes Elburz, Zagros, Hindu Kush, Cordillera del Pamir, Karakórum e Himalaya. En la actualidad, el proceso aún continúa en algunas zonas.^{[cita requerida]}

El Cenozoico ha sido un período de enfriamiento a largo plazo.^[7]​ A principio del Cenozoico, las partículas eyectadas por el impacto del límite K/T bloquearon la radiación solar. Después de la creación tectónica del Pasaje de Drake, cuando Australia se separó completamente de la Antártida durante el Oligoceno, el clima se enfrió considerablemente debido a la aparición de la Corriente Circumpolar Antártica que produjo un gran enfriamiento del océano Antártico.^[8]​

En el Mioceno se produjo un ligero calentamiento debido a la liberación de los hidratos que desprendieron dióxido de carbono. Cuando Suramérica se unió a Norteamérica por la creación del Istmo de Panamá, la región del Ártico se enfría debido al fortalecimiento de las corrientes de corriente del Perú y del Golfo, llevando al último máximo glacial.

Al final del período Cretácico se produjo la extinción masiva del Cretácico-Terciario, que incluyó a los dinosaurios y a la gran mayoría de las especies vivientes. La teoría más aceptada por los científicos señala como detonante el impacto de un meteorito de gigantescas dimensiones. La gran explosión generada en su impacto, habría levantado grandes cantidades de polvo al aire, impidiendo que la luz solar llegara hasta las plantas, reduciéndolas en cantidad y generando con ello un desequilibrio en la cadena alimenticia (planta – herbívoro – carnívoro); como resultado se extinguió un 75 por ciento de la vida en la Tierra. La desaparición de los grandes reptiles dio paso al Cenozoico. Actualmente se sospecha que la emisión de gases tóxicos debidos al vulcanismo de las Traps del Decán en la India pudo haber contribuido también a esta extinción.

Durante esta era los mamíferos, aprovechando el vacío dejado por los saurios, se multiplicaron y diversificaron, imponiendo su dominio sobre el resto de vertebrados. De las 10 familias que existían al iniciarse la primera época del Cenozoico, el Paleoceno, se pasó a casi 80 en el Eoceno —tras sólo 10 millones de años de evolución—. Muchas familias de mamíferos modernos, por su parte, datan del Oligoceno —es decir, de hace entre 35 y 24 millones de años— y fue en el Mioceno —hace entre 24 y 5 millones de años— cuando se registró la mayor diversidad de especies. En este último período aparecieron los primeros y más primitivos Hominoidea, como los Proconsul, Dryopithecus y Ramapithecus. A partir del Mioceno el número de mamíferos empezó a declinar y, como consecuencia de los profundos cambios climáticos que se produjeron durante el Plioceno, hace unos 2 millones de años, muchas especies desaparecieron. En ese momento estaba a punto de iniciarse la Edad del Hielo —dentro del Pleistoceno— en la que un primate muy avanzado iba a imponer su reinado: el género Homo.

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