On divise le Cénozoïque en trois systèmes (les deux premiers forment ce que l'on nomme de façon informelle à Ere tertaire)  :

1° le système paléogène ou éogène, comprenant lui-même la série paléocène, la série éocène et la série oligocène; 

2° le système néogène, comprenant la série miocène et la série pliocène

3° le sytème quaternaire (dans lequel certains auteurs proposent de ne voir que la dernière série du Néogène), et qui comprend la série pléistocène et la série Holocène, à laquelle on a proposé récemment d'ajouter la série Anthropocène.

Caractères paléontologiques.
La flore comprend tous les grands groupes que l'on distingue dans la flore actuelle, et on ne peut signaler aucune famille qui ne soit encore représentée aujourd'hui. Les variations dans les flores successives sont plutôt d'ordre géographique que d'ordre chronologique.

La faune est surtout remarquable par des caractères négatifs, par l'absence totale d'un certain nombre de groupes d'Invertébrés et de Vertébrés caractéristiques du Mésozoïque. C'est ainsi que les Ammonoïdés, les Bélemnites, les Rudistes disparaissent avec les dernières couches crétacées. De même, les lchtyosauriens, les Sauroptérygiens, les Pythonomorphes, les Ptérosauriens et les Dinosauriens ne franchissent pas la limite Crétacé / Tertiaire. Les Oiseaux à dents ont également disparu. Mais le début du Cénozoïque est marqué aussi par l'apparition d'un certain nombre de types nouveaux. Les Nummulites, qui étaient déjà faiblement représentées au Carbonifère, mais faisaient entièrement défaut dans celles des mers mésozoïques dont les dépôts sont accessibles à notre investigation, reparaissent dans les couches les plus inférieures de la série et abondent pendant toute le Paléogène, qui, pour cette raison, a été appelée aussi Nummulitique. Aucun groupe important nouveau n'est à signaler parmi les Coelentérés, les Brachiopodes, les Lamellibranches, les Gastéropodes, les Crustacés, les Poissons, les Reptiles. Parmi les Echinides, on peut mentionner les genres Clypeaster, Scutella, Echinolampas, Schizaster, Spatangus, qui se rencontrent pour la première fois au Cénozoïque, mais existent encore de nos jours. En revanche, les genres de Céphalopodes Belosepia, Beloptera, Bayanoteuthis, Vasseuria sont propres aux dépôts paléogènes. Tous les ordres actuels d'Oiseaux sont représentés, et la présence de la plupart d'entre eux dans les terrains cénozoïques les plus anciens conduit à supposer que leur différenciation s'était déjà effectuée au Crétacé.

Le trait caractéristique de la faune cénozoïque est fourni par les Mammifères placentaires, dont on ne connaît encore au Crétacé que des restes peu nombreux. Par contre, les restes fossiles de Mammifères cénozoïques sont assez nombreux et assez complets pour que l'on ait pu reconstituer la filiation d'un certain nombre de groupes et, en particulier, celle des Ongulés. Quelques ordres et sous-ordres sont représentés uniquement à l'état fossile : les Tillodontes, les Créodontes, les Sparassodontes et, parmi les Ongulés, les Condylarthres et les groupes exclusivement sud-américains des Litopternés, des Toxodontes, des Typothériens, des Ancylopodes, des Astrapothériens, des Pyrothériens.

Les subdivisions du Cénozoïque ont été basées à la fois sur des caractères stratigraphiques et sur des caractères paléontologiques. Il n'y a qu'un petit nombre d'Invertébrés qui permettent d'établir des coupures dans les dépôts marins. Ainsi les Nummulites, les Alvéolines, les Orthophragmina, les Lepidocyclina ne se rencontrent que dans les dépôts paléogènes; les Scutelles ne font leur apparition qu'avec l'Oligocène; les Miogypsina sont du Miocène. Lyell basait ses divisions sur le tant pour cent d'espèces actuelles contenues dans chacune d'elles.

Faciès.
C'est incontestablement au Cénozoïque qu'on possède la plus grande variété de faciès. Les formations continentales sont mieux représentées que dans les terrains plus anciens, et l'on connaît des formations marines cénozoïques correspondant à toutes les profondeurs, depuis les faciès littoraux jusqu'aux formations abyssales. Les formations continentales sont représentées par des sables, des graviers et des conglomérats fluviatiles, par des travertins, par des dépôts lacustres ou lagunaires. Dans les dépôts des mers intérieures s'intercalent fréquemment des dépôts d'estuaires et des facies d'évaporation. Les formations côtières comprennent des cordons littoraux, des récifs coralliens, des calcaires à Lithothamnium. Les calcaires zoogènes autres que les formations récifales sont très répandus; ce sont des calcaires à Milioles, à Nummulites, à Orthophragmina, à Alvéolines, plus rarement à Crinoïdes. En fait de formations néritiques, on peut encore citer les sables coquilliers, les faluns, les mollasses, surtout développés au Néogène. Certains grès en dalles alternant avec des schistes ont reçu le nom de flysch et atteignent des épaisseurs énormes. Les formations bathyales sont représentées par des schistes ardoisiers, analogues à ceux du Mésozoïque, par des argiles à Pleurotomes, à Zoanthaires isolés. Peut-être doit-on attribuer aux formations abyssales les argiles à Ptéropodes des régions méditerranéennes, les argiles à Radiolaires, à Diatomées des Antilles, tandis que les tripoli de Sicile se sont certainement déposés dans des eaux peu profondes.

Extension géographique des dépôts cénozoïques marins.
Des dépôts éocènes moyens qui ne sont pas sans analogie avec ceux du bassin anglo-parisien et de l'Ouest de la France se rencontrent dans l'Amérique du Nord, aussi bien sur la côte atlantique et dans le golfe du Mexique que sur le versant pacifique. Les couches de Claiborne, dans l'Alabama, renferment une faune de Mollusques qui possède de grandes affinités avec les faunes du calcaire grossier des environs de Paris. Les couches de Tejon, en Californie, qui reposent directement sur les couches sénoniennes de Chico, semblent être également d'âge lutétien.

Les formations nummulitiques, si caractéristiques des régions alpines et circumméditerranéennes, se prolongent dans l'Anatolie et dans le Caucase. En Iran, de Morgan a signalé des couches très riches en Echinides. Dans le Turkestan, la présence de Gryphaea Esterhazyi, espèce lutétienne de Hongrie, indique la transgressivité de l'Eocène moyen. Des couches à Nummulites se retrouvent ensuite dans le Béloutchistan, dans l'Himalaya, en Birmanie, à Sumatra, à Java, à Bornéo, en Nouvelle-Guinée, dans les Philippines, jalonnant la zone des plissements tertiaires. En Inde, une série éocène très complète et très fossilifère rappelle celle des dépôts nummulitiques de l'Afrique septentrionale. A Madagascar, on a rencontré sur la côte occidentale des calcaires à Nummulites et des calcaires à Alvéolines. 

On connaît également des calcaires à Nummulites à l'Ouest des régions méditerranéennes, dans les Antilles, au Mexique, en Equateur et au Pérou, c.-à-d. sur l'emplacement d'un géosynclinal qui contournait un continent correspondant à la mer des Caraïbes actuelle. De même, des couches à Lepidocyclina oligocènes existent dans l'isthme de Panama, à la Jamaïque, dans l'île de la Trinité, en Floride, comme à Java, Sumatra et dans quelques îles voisines (Douvillé).

On a conclu de l'ensemble de ces faits à l'existence d'une mer à faune équatoriale s'étendant du Mexique à la Nouvelle-Guinée, en passant par les régions méditerranéennes et par l'Inde. C'est la « Méditerranée centrale » de Neumayr, la «-Tethys » de Suess, la « Mésogée » de Douvillé.

Des dépôts éocènes existent encore dans le Sud de l'Australie, en Tasmanie et en la Nouvelle-Zélande, mais ils ne possèdent pas le caractère équatorial. Il en est de même des dépôts paléogènes de l'Amérique du Sud, dont il sera question plus loin.

Les maltasses miocènes suivent encore les plissements de la fin du Néogène, mais, comme dans la région alpine, elles semblent localisées sur le bord des chaînes actuelles. Elles sont très développées en Californie, où leur épaisseur dépasse les 1000 m. Dans les Antilles, leurs affinités paléontologiques avec les couches «-méditerranéennes » d'Europe sont très grandes. On les retrouve dans les Açores; en Anatolie; en Egypte, en Iran et dans les Antilles. Partout elles sont caractérisées par la présence des Clypéastres et des Scutelles. Des dépôts miocènes marins existent aussi en Equateur, au Chili, en Patagonie (Argentine), en Australie et en Nouvelle-Zélande.

Quant aux dépôts pliocènes, ils suivent en général les côtes actuelles, mais sont quelquefois relevés à de grandes altitudes. Leur faune diffère peu de la faune pléistocène et de la faune actuelle de la même région, de sorte qu'il est souvent difficile de les séparer de dépôts plus récents.

Formations continentales.
On a signalé dans les régions boréales, en particulier au Groenland, dans la terre de Grinnell, dans le Canada septentrional, en Islande, au Spitzberg, etc., des lignites avec plantes fossiles. Quoiqu'on y rencontre des espèces miocènes, une partie de ces gisements est de l'Eocène. Les Dicotylédones y prédominent, les palmiers y font entièrement défaut, ce qui indiquerait, pour les régions polaires, un climat tempéré. Il est probable que toutes ces terres arctiques faisaient partie d'un même grand continent que l'Amérique du Nord et l'Europe septentrionale, le continent nord-atlantique, morcelé seulement vers la fin du Néogène. La similitude des Mammifères paléogènes en Europe et dans l'Amérique septentrionale montre avec certitude que les deux continents, aujourd'hui séparés, étaient alors réunis. Une série assez complète de dépôts continentaux permet de reconstituer la succession des Mammifères dans les deux régions. Les faunes éocènes d'Amérique sont particulièrement bien connues, grâce aux recherches qui ont été faites par Leidy, Cope et Marsh dans la série lacustre des Montagnes Rocheuses. Au Nouveau-Mexique, au Colorado, en Utah, au Wyoming, ces dépôts éocènes reposent sur les couches lagunaires de Laramie, qui appartiennent au Crétacé supérieur et atteignent près de 3000 m d'épaisseur.

Les couches de Puerco, par lesquelles débute la série, renferment une faune extrêmement remarquable, qui comprend, outre les Allothériens, voisins de types crétacés, et les Tillodontes, des Créodontes, des Condylarthres, des Amblypodess et des Lémuriens, tous encore beaucoup moins différenciés que dans les niveaux plus récents, de sorte qu'ils présentent un grand nombre de caractères communs, attestant un développement peu avancé. En Europe, une faune tout à fait semblable, quoique bien moins riche, a été rencontrée au sommet du thanétien, à Cernay, près de Reims, et étudiée par V. Lemoine. Les couches de Wasatch, qui font suite à celles de Puerco, sont caractérisées par une faune dont l'équivalent se trouve également en Europe, dans les lignites du Soissonnais, dans l'argile plastique et dans l'argile de Londres. Les Allothériens ont disparu, les Tillodontes, les Rongeurs, les Insectivores, les Créodontes, les Lémuriens sont nombreux. Les Ongulés comprennent déjà, à côté de Condylarthres (Phenacodus) et d'Amblypodes (Coryphodon), des Périssodactyles (Pachynolophus, Eohippus, Hyracotherium) et des Artiodactyles.

Les couches de Bridger, développées principalement dans le bassin du Green River, représentent l'Eocène moyen. Outre les groupes des assises précédentes, on y rencontre surtout une remarquable famille d'Amblypodes, les Dinocératidés, dont les squelettes géants ont été reconstitués par Marsh. En Europe, cette famille est inconnue et l'Eocène moyen est beaucoup moins riche en Mammifères. On doit lui rapporter les gisements d'Issel (Aude), d'Argenton (Indre), de Bouxwiller (Alsace) et ceux du lutétien des environs de Paris, dont le fossile le plus caractéristique est le genre Lophiodon. Une lacune, correspondant probablement au Bartonien, sépare en Amérique les couches de Bridger des couches d'Uinta, dont la répartition géographique est différente de celle des étages précédents et qui correspondent comme âge au gypse parisien. Contrairement à ce qui avait lieu jusqu'ici, ce sont maintenant les faunes, d'Europe qui sont beaucoup plus riches que les faunes américaines, surtout si l'on considère les beaux gisements de la Débruge (Vaucluse), du Quercy (phosphorites) et du Jura suisse et souabe (sidérolithique). Mais les faunes des phosphorites et des poches sidérolithiques ne sont pas libres de mélanges accidentels, d'éléments plus anciens ou plus récents. A côté de Marsupiaux (Didelphys), de Rongeurs, d'Insectivores, de Chiroptères, de vrais Carnivores; de Lémuriens, on rencontre surtout des Périssodaclyles (Palaeotherium, Paloplotheriurn) et des Artiodactyles (Chaeropotamus, Anoplotherium, Diplobune, Dichobune, Xiphodon, Gelocus). C'est incontestablement une faune de passage entre l'Eocène et l'Oligocène.

Oligocène.
Dans l'Oligocène proprement dit viennent se placer, en Europe, d'abord le calcaire de Brie (sannoisien), avec les genres Cadurcotherium, Chalicotherium, Anthracotherium et de nombreux représentants des Civettes, des Martes, des Lémuriens; puis les gisements stampiens de La Ferté-Alais (Essonne), de Ronzon (Haute-Loire), de Hempstead (île de Wight), de Lobsann (Alsace), de Flonheim (Hesse), de Cadibona et autres localités alpines, avec Anthracotherium, Ryopotamus, Cainotherium; enfin, les gisements aquitaniens de Saint-Géran-le-Puy, d'Issoire, d'Ulm, etc., où apparaissent déjà les Tapirs, les Rhinocéros, des Ruminants sans cornes (Dremotherium, Amphitragulus), plusieurs genres actuels d'Insectivores et de Rongeurs. En Amérique, les dépôts oligocènes manquent dans les Montagnes-Rocheuses, mais ils existent dans les grandes plaines du Dakota, du Nebraska, du Colorado, où ils reposent directement sur les couches de Laramie. Ce sont les couches de White-River, remarquables par la présence des gigantesques Titanothéridés, des Oréodontidés, associés à de nombreux autres descendants de la faune éocène (derniers Créodontes et Lémuriens) et à un petit nombre de genres originaires d'Europe (Aceratherium, Elotherium, Steneofiber, Hyaenodon).

Miocène.
Avec le début du Miocène un événement important se produit en Europe, c'est l'arrivée brusque, par immigration, de types étrangers, les Proboscidiens (Mastodon, Dinotherium) et les Singes catarrhiniens, dont les restes les plus anciens se rencontrent dans les sables de l'Orléanais (Mastodon tapiroides, angustidens, Dinotherium Cuvieri), associés à des types spéciaux (Procervulus aurelianensis, Rhinoceros aurelianensis) et à des types archaïques (Anthracotherium, Palaeochaerus). Les faunes de Sansan, dans le Gers, et d'Eibiswald, en Styrie, sont un peu plus récentes, elles correspondent à l'Helvétien (Langhien et Serravillien) et ne renferment plus de types archaïques, oligocènes. La faune conservée dans des roches sidérolithiques à la Grive-Saint-Alban (Isère) appartient au Tortonien et indique une évolution encore plus avancée. En Amérique, les couches de John-Day, du versant pacifique, représentent sans doute un équivalent des couches de Sansan. On continue à y trouver un certain nombre de types européens, quoique les communications entre les deux continents soient devenues beaucoup plus difficiles. Mais les Mastodontes n'ont pas encore fait leur apparition, et les Singes catarrhiniens ne pénétreront jamais en Amérique.

Le Miocène supérieur (Messinien ou Pontien) marque en Europe une phase essentiellement continentale, aussi les gisements de Mammifères sont-ils particulièrement riches et nombreux. Ce sont les localités célèbres du mont Lubéron (Vaucluse), de Concud, près de Barcelone, d'Eppelsbeim, dans le bassin de Mayence, du Belvédère, près de Vienne, et surtout celle de Pikermi près d'Athènes, qu'ont illustrée les recherches d'Albert Gaudry. Les types les plus caractéristiques de cette faune sont les suivants : Hipparion, Sus, de nombreuses Antilopes, Helladotherium, Dinotherium, plusieurs Carnivores, parmi lesquels le premier Felis et le genre Machaerodus; enfin, un Oryctérope et un grand Singe, le Mesopithecus Pentelici. Dans l'Ouest de l'Amérique, les couches de Deep River viennent se placer au même niveau, mais la faune en est bien différente, ce qui indique l'absence totale de communications avec l'Europe. Les Oréodontes et les Camélidés, qui sont d'origine américaine, prédominent. Les Mastodontes apparaissent pour la première fois, ils sont donc d'introduction plus récente qu'en Europe. C'est évidemment maintenant par le Nord de l'Asie qu'ont lieu les échanges entre l'ancien et le nouveau monde. On peut en voir une preuve dans le fait suivant. Les Camélidés manquent entièrement dans les dépôts néogènes d'Europe, mais on les connaît dans le miocène de l'Asie méridionale et dans le pléistocène de la Sibérie, de la Russie méridionale, de la Roumanie et de l'Algérie. C'est donc de l'Est à l'Ouest, en venant d'Amérique qu'ils ont envahi l'Asie, puis l'Europe orientale et l'Afrique du Nord (E. Haug). Si les Mastodontes ont pénétré en Amérique par l'Ouest, il y a tout lieu de croire qu'ils venaient d'Asie, et c'est également en Asie qu'il faut chercher sans doute l'origine des types cryptogènes du Miocène d'Europe. Ce n'est d'ailleurs qu'au miocène que les faunes asiatiques ont pu envahir l'Europe, car à l'Eocène et à l'Oligocène un bras de mer longeant l'Oural séparait les deux pays qui, au Miocène, devaient se réunir pour former l'Eurasie.

Pliocène.
La faune pliocène dérive par filiation directe de la faune miocène. Dans le Pliocène ancien (Zancléen ert Plaisancien), représenté surtout à Montpellier et à Perpignan, quelques types archaïques, comme Hipparion, Palaeoryx, Dolichopithecus, persistent. Les Cervidés sont rares et ont des bois relativement simples. Les genres Equus, Bos, Elephas font encore défaut. Dans le Pliocène récent, représenté par les gisements de Perrier, de Norwich, du val d'Arno, les genres miocènes ont disparu, sauf Mastodon. Les espèces les plus caractéristiques sont : Equus Stenonis, Bos elatus, Elephas meridionalis, Rhinoceros etruscus, Macacus florentinus. Les Cerfs sont communs et possèdent des bois rameux (Depéret). Les faunes miocènes et pliocènes d'Asie ont les plus grandes affinités avec celles d'Europe. Il n'est pas toujours facile de distinguer les gisements des deux époques, que l'on réunit souvent sous le nom de couches de Siwalik, en raison de leur grand développement dans les collines qui s'étagent au pied méridional de l'Himalaya. Ces couches se rencontrent depuis la mer Rouge jusqu'au Japon et à Java. A côté des types d'Europe, on trouve des genres spéciaux, tels que les Ruminants gigantesques Sivatherium, Vishnutherium, Bramatherium. C'est dans des couches incontestablement pliocènes que Dubois a découvert, à Java, les restes du Pithecantropus erectus.

En Amérique, le Pliocène ancien est représenté par les couches de Loup Fork, répandues dans tout l'Ouest. On y trouve surtout Protohippus, Pliohippus, Tapiravus, Merychius, des Camélidés, des Rongeurs, des Carnivores spéciaux, associés à quelques genres de l'ancien monde, tels que Hipparion, Mastodon, Canis, etc. Au pliocène récent correspondent les Equus beds de l'Ouest, les Megalonyx beds de l'Est. On y a signalé d'assez nombreux types européens, des types spéciaux à l'Amérique septentrionale, comme Dicotyles, Scalops, Procyon, Geomys, et des types immigrés de l'Amérique du Sud, tels que Megalonyx, Mylodon, Gtyptodon, Toxodon. En même temps, les éléments nord-américains envahirent l'Amérique du Sud. C'est là, dit Zittel, un des plus remarquables exemples de migrations de faunes que la géologie ait à enregistrer. 

Pléistocène.
Avec le début du Pléistocène, une nouvelle faune, vraisemblablement d'origine sibérienne, la faune dite holarctique, s'étend à la fois sur l'Europe, sur l'Asie centrale et sur le Nord de l'Amérique septentrionale, en même temps que le phénomène glaciaire gagne en importance. Les faunes mio-pliocènes sont refoulées vers le Sud. Elles vivent encore actuellement, peu modifiées, dans la province éthiopique (Afrique, au Sud du Sahara), dans la province orientale (Inde, Indonésie), et dans la province sonorienne (Sud des Etats-Unis, Amérique centrale).

Dans l'hémisphère Sud l'évolution des Mammifères paraît avoir été toute différente de ce qu'elle a été dans l'hémisphère Nord. La faune pléistocène et actuelle de Madagascar semble dériver directement de la faune oligocène d'Europe et être un résidu de la faune qui occupait probablement toute l'Afrique continentale avant l'invasion de la faune mio-pliocène. En Amérique du Sud, nous possédons une série de dépôts continentaux riches en Mammifères.

Si nous faisons abstraction de la formation guaranienne, du Crétacé, qui renferme des Dinosauriens, les dépôts continentaux les plus anciens que l'on rencontre en Patagonie sont les dépôts détritiques auxquels on a donné le nom de santacruzien. Ils reposent, d'après Hatcher, en discordance angulaire sur la formation marine patagonienne, dont le Miocène ou tout au plus Oligocène et le synchronisme avec les couches de Navidad du Chili ne peut guère faire de doute. Le santacruzien est donc incontestablement miocène. D'après les travaux d'Ameghino, sa faune se compose d'Oiseaux géants (Phororhachus), de Marsupiaux, de Sparassodontes, de très nombreux Edentés, de Litopternés (Protérothéridés, Macrauchénidés), de Typothériens, de Toxodontes, d'Astrapothériens, de Rongeurs hystricomorphes, de Singes platyrhiniens. Les Périssodactyles, les Artiodactyles, les Insectivores, les Carnivores, les Lémuriens y font totalement défaut. Le caractère tout à fait particulier de la faune montre d'une manière certaine que l'Amérique du Sud était, au Miocène, entièrement séparée aussi bien de l'Amérique du Nord que de l'Europe.

Des coulées basaltiques (formation entrerienne), des dépôts pliocènes marins (couches du cap Fairweather) et des cailloutis probablement glaciaires (formation tehuelchienne) recouvrent en Patagonie le santacruzien. Dans le bassin de la Plata, on connaît, par contre, des horizons à Mammifères plus récents. Sur les couches marines du Parana, qui sont d'âge pliocène (S. Woodward, A. Borchert), repose la formation araucanienne du Monte Hermoso, qui renferme à côté de types autochtones, vraisemblablement dérivés de types santacruziens, tels que les Edentés, les Macrauchénidés, les Toxodontes, les Typothériens, les Rongeurs hystricomorphes, des types d'origine nord-américaine, comme Tapirus, Hipparion, Auchenia (Camélidé), Mastodon, Canis. Cette faune est  synchronique des « Equus beds » de l'Amérique du Nord et par conséquent pliocène supérieur. La faune si riche recueillie dans le limon des Pampas (formation pampasienne) est, par contre, pléistocène . L'invasion des types nord-américains est ici encore plus évidente (Equus, Dicotyles, Cervidés, Félidés, Humains), mais les Edentés atteignent une variété de formes remarquables et des dimensions gigantesques. (Émile Haug).