Mit dem Paläogen begann das Känozoikum, die Ära mit moderner Tierwelt nicht nur in den Meeren, sondern auch auf den Kontinenten. Früher (und z.T. bis heute noch in vielen Lehrbüchern) wurden die letzten 65 Ma der Erdgeschichte in die Systeme Tertiär und Quartär unterteilt.
Da diese klassische Unterteilung zu ungleichgewichtig (ca. 63 Ma für das Tertiär und nur ca. 2 Ma für das Quartär) und außerdem "europozentrisch" ist (Beginn der letzten Kaltzeit an der Basis des Quartärs in Europa, die Vereisung der Antarktis begann aber bereits im Oligozän), setzte sich die sinnvollere Untergliederung in Paläogen (Alt"tertiär") und Neogen (Jung"tertiär") mehr und mehr durch. Heute haben diese beiden Zeiteinheiten den formalen Rang von Systemen (wie Jura, Kreide etc.).
Das Paläogen wird in die drei Serien Paleozän, Eozän und Oligozän eingeteilt. Die Gliederung in Stufen ist noch heute sehr inhomogen, vielerorts werden die international gültigen Stufen (siehe Abbildung unten) durch lokale, nicht zeitgleiche Einheiten ersetzt.
Leitfossilien im marinen Bereich sind planktonische Foraminiferen, Dinoflagellaten und kalkiges Nannoplankton, daneben benthonische Foraminiferen, Radiolarien, Ostracoden, Pelecypoden und Gastropoden, im nichtmarinen Bereich Landpflanzen, Sporen und Pollen, Ostracoden, Charophyten, Gastropoden, Otolithen (Ohrsteine von Fischen) sowie Säugetierreste.

Einteilung des Paläogen in die drei Serien Paleozän, Eozän und Oligozän (mit absoluten Datierungen) und die weitere Untergliederung in neun Stufen (nach der International Stratigraphic Chart der IUGS, 2000).

Plattentektonische Entwicklung:

Plattentektonische Situtation der Erde vor ca. 40 Ma (mittleres Eozän), vereinfacht, umgezeichnet und ergänzt nach R. Blakey (Univ. of Arizona), http://vishnu.glg.nau.edu/rcb, hier auch weitere Bilder der paläogenen Erde Legende Abkürzungen (Animation 600 Ma: klein / groß)

Pangäa-Superkontinentzyklus: Der ehemalige Superkontinent zerfiel endgültig, im Prinzip setzte bereits ein neuer Superkontinentzyklus ein.
Nordamerika und Eurasien hingen anfangs über Skandinavien und Grönland noch eng beisammen, erst mit dem Oligozän kam es auch hier zu einer schnelleren Öffnung des nördlichen Nordatlantik. Diese Öffnung hatte schon im Paleozän mit ausgedehnten Plateaubasalten begonnen, das Spreading setzte im Eozän ein. Hier entstand über einem Hotspot der bis zum Ende des Paläogens die kalten arktischen von den wärmeren atlantischen Wassermassen trennende Island-Färöer-Rücken.
Der zirkumäquatoriale Seeweg wurde durch die Schließung der Tethys am Ende des Eozäns unterbrochen. Diese war bedingt durch die weitere Annäherung von Afrikanischer und Eurasischer Platte, welche zu den Höhepunkten der alpidischen Orogenese führt.
Indien driftete weiter nordwärts und begann im Eozän mit Asien zu kollidieren.
Weiteres Nordwärtsdriften von Australien an der Eozän/Oligozän-Grenze sowie die Öffnung der Drake-Passage zwischen Antarktis und Südamerika im höheren Oligozän bewirkten die Entwicklung einer zirkumantarktischen Kaltwasserströmung mit erheblichen Auswirkungen für das globale Ozean-Strömungssystem und das Weltklima.

Im Paläogen lag der weltweite Meeresspiegel noch wesentlich höher als heute, jedoch niedriger als in der Oberkreide. Sehr starke Regressionen (Aufbau des antarktischen Eisschildes) fanden an der Eozän/Oligozän-Wende und im Oligozän statt.
Das Paläogen stellt den Übergang von der mesozoischen Greenhouse- zur jungkänozoischen Icehouse-Ära dar. Anfangs gab es nur geringe Vereisungen auf der Nordhalbkugel, später setzte die Vergletscherung der Antarktis massiv ein.
Im Paleozän herrschten kaum höhere Temperaturen als heute, im Vergleich zur Kreide war es merklich kühler geworden. Nach rapider Erwärmung (möglicherweise durch katastrophale Freisetzung von Gashydraten) gab es dann ein Klimaoptimum im Eozän mit hohen Temperaturen und geringem latitudinalem Gradienten, danach eine deutliche Abnahme der globalen Durchschnittstemperaturen, auch im Meer.
Langfristige nahmen während des Paläogen die Sauerstoff- und CO2-Gehalte in der Atmosphäre ab. Die Abnahme der CO2-Gehalte korreliert mit abnehmender plattentektonischer Aktivität an den mittelozeanischen Rücken (abnehmende Produktionsrate ozeanischer Kruste und vulkanische Entgasung).
Ein besonders dramatischer Klimaeinbruch innerhalb von nur ca. 100 ka ist an der Wende Eozän / Oligozän zu verzeichnen, mit Herausbildung der Psychrosphäre (kaltes Tiefenwasser). Proxies (Näherungswerte) hierfür sind v.a. die stabilen Sauerstoffisotopen in Kalkschalern.
Auslöser für die Abkühlungen waren plattentektonische Vorgänge (Schließen der Durchlässe für den weltumspannenden, warmen, äquatorialen Ringstrom, Öffnen der Passagen für den kalten antarktischen Ringstrom, s.o). Verstärkte Klimainstabilitäten führten ab dem obersten Eozän zur beschleunigten Packeisbildung um die Antarktis, die endgültige Etablierung des circumantarktischen Stroms mit dem Ende des Oligozäns zum Aufbau des antarktischen Eisschildes.

Europa und Nordamerika:

Neuerliche Meeresvorstöße nach der Regression am Ende der Kreide erfolgten jeweils im Paleozän und Eozän. Hierdurch wurde eine gegenüber der heutigen Ausdehnung erweiterte Nordsee (incl. Norddeutschland) überflutet. Verbindungen bestanden über den Ärmelkanal mit dem Atlantik und über Polen zur Tethys (jeweils Warmwasser) sowie über die Nordsee und die baltischen Länder zum borealen Raum (Kaltwasser). Eine starke Klimaabkühlung ist auch hier an der Eozän/Oligozän-Grenze dokumentiert.
Eine Verbindung zwischen Paratethys und Nordseebecken über den Rheintalgraben bestand nur im Oligozän. In diesem geologisch sehr alten Strukturelement (Hessische Senke) wurden äußerst mächtige marine Sedimente abgelagert.
Während des eozänen Klimaoptimums kam es weit verbreitet zur Bildung von Braunkohlen. Die Braunkohlen im Geiseltal bei Halle sind ebenso ein berühmter Fossilfundpunkt wie das ehemalige Maar mit den Ölschiefern von Messel. Eozänes Harz wurde in oligozäne Sande der südlichen Ostsee umgelagert (Bernstein).
Fossilreiche Profile finden sich im Pariser Becken (eine der klassischen Stätten der Biostratigraphie), u.a. die für Säugetiere berühmten "Gipse von Montmartre". Vulkanische Aktivitäten im Zusammenhang mit der alpidischen Orogenese nahmen im Eozän ihren (geringen) Anfang, entlang des Rheintalgrabens und in der Eifel.
Die alpidische Orogenese erlebte ihre Höhepunkte mit der illyrischen Phase im Obereozän und der pyrenäischen Phase an der Wende Eozän / Oligozän. Die Vergenzen sind hauptsächlich nach Norden gerichtet, die Subduktion wohl nach Süden (obwohl dies noch strittig ist). Nach der Hauptorogenese war die Tethys in die Paratethys (im Norden) und das Mittelmeer (im Süden) aufgespalten.
In der Paratethys nördlich der Alpen begann im Oligozän die Sedimentation der bayerischen Molasse. Die Paratethys erstreckte sich als Rest der Tethys unter wechselhaften salinaren Bedingungen ursprünglich bis weit nach Osten. Schwarzes Meer, Kaspisches Meer und Aralsee sind heutige Reste dieses Meeres. Ob die Paratethys noch weiter nach Osten reichte (bis zu den Langzeitseen von Kasachstan oder gar bis zum Baikal), ist ungeklärt.
(Hier geht es zu einer Animation der Paratethys- und Mittelmeer-Entwicklung)

Die Pflanzenwelt:

Im Paläogen fand die phytische Ära des Känophytikums (Dominanz der Bedecktsamer oder Angiospermen) ihre Fortsetzung. Die Gymnospermen spielten nur noch eine Nebenrolle, entsprechend der heutigen geringen, manchmal aber standortbedingt größeren Bedeutung. Einige Koniferengruppen (Sequoien und Taxodien) passten sich an Feuchtstandorte an und bildeten große Anteile der paläogenen Braunkohle-Sumpfwälder.
Beherrschend und sich weiter diversifizierend waren die Angiospermen. Zur Zeit des eozänen Klimaoptimums wuchsen in Mitteleuropa tropische und subtropische Wälder, Palmen waren bis nach Grönland und Alaska verbreitet.
Zu Beginn des Oligozäns war die Hälfte aller heute noch existierenden Angiospermen-Gattungen vorhanden. Rosen z.B. gab es schon seit dem Eozän.
Besonders wichtig war die Entwicklung der Gräser, die im Eozän und tieferen Oligozän noch auf bewaldete und sumpfige Gebiete beschränkt waren. Mit der Entwicklung des kontinuierlichen Wachstumsprozesses und der Windbestäubung wurden ab dem Oberoligozän die offenen Länder erobert, Steppen und Grasländer breiteten sich aus, größeren Massen von Pflanzenfressern konnten durch Nachwachsen der Halme Nahrung finden. Diese Entwicklung korreliert mit dem allmählichen Trockenerwerden des Klimas (Versteppung) und der Evolution einiger Säugetiergruppen (z.B. Pferde).

Die Tierwelt:

Im marinen Bereich setzt nach dem KT-Massenaussterben vieler wichtiger mesozoischer Elemente der "modernen Fauna" die Radiation der typisch känozoischen Invertebratenfauna ein. Generell wurden diese Faunen nun der heutigen immer ähnlicher, ein früher auch biostratigraphisch (für die zeitliche Einstufung von Schichten) eingesetztes Phänomen.
Kleinere Aussterbeereignisse, auch auf den Kontinenten, fanden jeweils am Ende des Paleozäns und des Eozäns statt. Erklärungen hierfür finden sich neben verstärkten vulkanischen Rift-Aktivitäten auch im Bereich der Plattentektonik und damit verbundenen ozeanographischen und klimatischen Änderungen.
Die Muscheln waren in ihrer Bedeutung gegenüber der Kreide wieder zurückgegangen, aber dennoch hochdivers und kamen z.T. massenhaft in allen aquatischen Bereichen vor. Wie bei den Gastropoden (s.u.) nahm der Anteil noch heute lebender Arten kontinuierlich zu
Die Gastropoden entwickelten sich in Salz-, Brack- und Süßwasserbereichen zur wichtigsten und diversesten Invertebratengruppe, enorm wichtig auch als Leitfossilien. Der Anteil noch heute lebender Formen nahm kontinuierlich zu.
Im flachmarinen Bereich nahm im Verlaufe des Paläogen die Brachiopoden-Gruppe der Terebratuliden an Diversität stark zu. In manchen Gesteinen sind sie darüberhinaus auch massenhaft vertreten.
Bei den Seeigeln entwickelten sich sehr flache Formen ("Sanddollars" u.a.) mit speziell angepaßten Lebensweisen und der Möglichkeit, auch Flachwassersande zu besiedeln. Die Crinoiden (Seelilien) wanderten zum größten Teil in die Tiefsee ab.

Die Wirbeltiere: Die schnelle adaptive Radiation der Säugetiere nach dem Aussterben der konkurrierenden Dinosaurier mit dem Ende der Kreide, allerdings offenbar bereits in der obersten Kreide einsetzend, war das Hauptereignis innerhalb dieser Gruppe. Zu Beginn des Paleozäns waren die Säugetiere meist noch kleine Tiere (max. Hundegröße), sie verzeichneten später jedoch ein rasches Größenwachstum in vielen Gruppen. Im Untereozän existierten bereits die meisten modernen Ordnungen der Mammalia.
Besonders im Eozän gab es eine ständig zunehmende Formenvielfalt und eine Verdoppelung der Familienzahl, hierunter modernere Pflanzenfresser der Unpaarhufer und der Paarhufer. Die bekannte Pferdereihe nahm ihren Anfang, ebenfalls die der Rüsseltiere. Die Nagetiere verdrängen die Multituberculaten, die in der Kreide die wichtigsten Säugetiere gewesen waren.
Als Carnivoren kamen erste Hunde, Katzen und Wiesel vor. Ab dem Oligozän gab es die ersten Affen.
Im Oligozän war ein enormes Größenwachstum zu verzeichnen, darunter Riesenformen unter den Nashörnern (hier das größte landlebende Säugetier der Erdgeschichte).