第三纪时，地球上已相继形成阿尔卑斯山、喜马拉雅山、落基山和安第斯山等一系列巨大的山系，地表高差十分显著，气候也有过几次大范围的波动。这首先影响了植物界的发展，被子植物在第三纪占据主要地位并获得了迅速演化，裸子植物和蕨类植物退居次要地位。早第三纪基本上是木本植物大发展阶段，晚第三纪草本植物也加快了演化速度，植物组分越来越复杂。受地形、土壤和气候等各种因素的影响，第三纪出现了明显的植物分区，热带植物区的植物与温带植物区的植物在组合面貌上截然不同。
气候变化、植物更替，直接影响着动物界的发展。中生代结束以后，一进入第三纪，恒温动物就显示出它们的竞争优势。其中，有胎盘类（真兽）的进化速度更快，除陆地外，它们在很短的时间内，完成了向海洋（如鲸类）和向空中（如蝙蝠类）的辐射发展。无胎盘类在澳洲等地也获得了生存空间，有袋类成了那里的主人。鸟类在第三纪已形成众多的目与科，为今天的分类奠定了基础。鸟类的属种繁多，目前已达8500多种，它们的复杂生态习性又进一步促进了植物的发展。地球上出现了新生代的曙光。
在我国，第三纪早期古地理轮廓基本上是中生代白垩纪的延续，海区分布在喜马拉雅、台湾及塔里木盆地西缘，海水的范围与中生代相比已明显缩小。与此相反，陆地面积扩大了，在陆区内，西部的大型盆地包括准格尔、塔里木、柴达木等盆地仍继续沉降接受沉积。中部的几个大型盆地，如陕甘宁盆地、四川盆地沉积范围逐步缩小，直至消失已不再接受沉积。东部也有较大的变化，华北地区东西两侧上升，中部逐渐下沉，形成巨型的华北盆地。华南的江汉盆地、苏北盆地仍然继承着前期的沉降条件。
早第三纪中后期发生了对全球有巨大影响的造山运动，因为主要发生在我国和亚洲东部，地质学家们称之为喜马拉雅运动。经过这次运动，使喜马拉雅海槽褶皱升起，露出海面，到晚第三纪后期加速隆升，逐渐形成今日世界屋脊-喜马拉雅山，青藏高原地区在此时也不断上升，当时的古地理面貌与现代很接近，只有台湾地区仍然沉没在大海中。
根据第三纪古地理面貌得知，我国这一时期陆相地层非常发育，海相地层仅见于台湾、喜马拉雅及塔里木盆地西南缘。陆相大致可以沿着贺兰山-龙门山一线为界，划分东西两大部分，它们在古地理格局、沉积类型以及地史发展过程有其各自的特点。
第三纪时形成了许多重要的矿产，在我国，有经济价值的是石油、天然气资源，此外，褐煤等沉积矿产也很重要。在西北地区，与干燥气候条件有关的盐类矿藏，如石膏、岩盐、芒硝等储量丰富，也具有重要的意义。