[2][3] Al igual que con otros períodos geológicos más antiguos, las capas rocosas que definen el inicio y el fin están bien definidas, pero sus fechas exactas de inicio y fin son algo inciertas.
La formación del Istmo tuvo grandes consecuencias sobre las temperaturas globales, ya que las corrientes ecuatoriales cálidas fueron cortadas y comenzó un ciclo de enfriamiento en el Atlántico, al mismo tiempo que las aguas árticas y antárticas se comenzaron a enfriar en el ahora aislado océano Atlántico.
Las rocas marinas del Plioceno están bien expuestas en el Mediterráneo, en la India y en China.
Los océanos permanecieron relativamente cálidos durante el Plioceno, a pesar del enfriamiento constante.
Se formó el hielo ártico, secando el clima e incrementando las corrientes frescas y superficiales en el Atlántico Norte.
Las colisiones entre masas de tierra trajeron consigo una mayor migración y entrecruzamiento entre especies antes aisladas.
Los perezosos terrestres, los gliptodontes y los armadillos migraron hacia el norte con la formación del Istmo de Panamá.
África fue dominada por los animales con pezuñas, y los primates continuaron su evolución, culminando con la aparición del Australopithecus en el Plioceno tardío.
Los gliptodontes herbívoros prosperaron, así como los perezosos gigantes terrestres y los armadillos más pequeños.
Los marsupiales siguieron siendo los mamíferos dominantes en Australia, con formas herbívoras incluyendo el wombat, el canguro y los enormes diprotodontes.
Los géneros de serpientes venenosas aumentaron a medida que evolucionaban roedores y aves.
Para ello se basaron en las anomalías del isótopo 60Fe de esa época encontradas en los fondos oceánicos.