В раннем миоцене (24–16 миллионов лет назад) температуры поверхностных вод в низких и высоких широтах, по данным И.А. Басова (1997), различались незначительно. Температура же глубинной океанической воды, по данным М. Рэймо и В. Радимана (1912), была на 12ºС выше современной. Однако, уже к концу миоцена (7–5 миллионов лет назад) разница между температурами вод на экваторе и полярных районах составляла 12ºС, а температура поверхностных вод вокруг Антарктиды не превышала 3ºС.
В неогеновом периоде (24—2 миллиона лет назад) климат стал не только холоднее, но и суше. Тропические и саванные леса, занимавшие некогда огромные площади от современной Центральной Европы до Монголии, постепенно сменились саваннами и степями. Пальмы в Центральной Европе и Северной Азии (севернее г. Волгограда) уже в середине миоценовой эпохи стали редкостью. Широкое распространение получили деревья субтропической и умеренной зон с опадающей листвой: дуб, бук, клен, грецкий орех, вяз, каштан, платан, рябина. Появились виды растений, и ныне произрастающие в Южной Европе и Предкавказье. Более разнообразными стали хвойные: ель, кипарис, сосна, секвойя, тис; однако многие из перечисленных форм вскоре отступили дальше на юг.
В Западной Сибири преобладали широколиственные леса из листопадных древесных пород, характерных для областей теплой части умеренного пояса. Постепенно они сменились темнохвойной тайгой, в которой вначале росли и теплолюбивые виды: тсуга, птерокария, грецкий орех, дуб, лещина и другие.
Общее глобальное олигоцен-неогеновое похолодание сопровождалось отдельными периодами довольно существенных (3–5ºС и более) колебаний среднегодовой температуры. Первое такое событие — хетт-аквитанское похолодание — имело место на рубеже олигоцена и миоцена (24 миллиона лет назад). Тогда произошло резкое, хотя и непродолжительное понижение температуры, которое затем сменилось довольно длительным потеплением.
В начале миоцена началось новое сильное оледенение Антарктиды, и в течение всего оставшегося времени большая часть этого континента была покрыта льдом, хотя площадь ледников несколько раз существенно менялась. Оледенение привело к значительному понижению уровня океана и дальнейшему сокращению площади и омелению внутриконтинентальных морей.
Примерно в это же время[44] возникли Великие Азиатские пустыни к северу от Тибетского плато. Это подтверждается накоплением 231 слоя древней коричневатой, нанесенной ветром, пыли, называемой лёссом, который откладывался в период с 22 (24) до 6,2 миллионов лет назад между слоями красной глины. Примечательно, что каждый такой слой формировался на протяжении около 65 тысяч лет.