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기는 몇 개의 지질학적 세(世)들로 나누어지고, 보다 큰 지질학적 시간 단위인 대(代)를 구성한다.

제3기는 중생대의 백악기 다음이고 제4기 전의 시기를 말한다. 제3기의 시간 경계는 250만~6,500만 년 전으로 정의되어왔으나 최근의 측정에 의하면 170만~6,500만 년 전이라 제안되고 있다. 제3기는 고제3기와 신제3기로 나누는데, 고제3기는 팔레오세(6,500만 년 전에 시작됨)·에오세(5,400만 년 전에 시작됨)·올리고세(3,800만 년 전에 시작됨) 등 세 시기를, 신제3기는 마이오세(2,600만 년 전 시작됨)·플라이오세(700만 년 전 시작됨) 등 두 시기를 각각 포함하고 있다(고지리학).

제3기 동안 주요대륙들의 공간적인 위치는 오늘날과 크게 다르지 않았다.

특히 북아메리카와 남아메리카, 유라시아와 아프리카, 아시아와 북아메리카 사이에 있었던 육로의 출현과 소멸은 대륙간 육상 및 해양 동식물군의 이동에 결정적인 영향을 주었다. 이 기간 동안에 일어났던 특히 중요한 지질학적 사건은 대륙의 지형에 많은 변화를 주었다. 제3기 동안의 조산작용에 의해 안데스·로키·알프스·히말라야·아틀라스 산맥이 각각 부분적 또는 전체적으로 형성되었다(산). 제3기 초기의 기후는 현재보다는 상당히 따뜻했다.

심해 시추 코어에 의한 증거에 의하면, 이런 따뜻한 기후는 에오세 말기에 지구전체의 갑작스런 냉각과 함께 끝났다. 올리고세와 특히 마이오세 동안 남극에 빙하가 생기기 시작했으며, 결국 엄청난 양의 빙상(氷床)이 형성되어 해수와 대기의 순환에 큰 영향을 주었다.

신제3기에는 지구 전체적으로 따뜻한 기후와 한랭한 기후가 반복되는 변화의 폭이 작은 특징이 있으나, 점차적으로 변화의 폭이 커져서 250만 년 전의 대냉각 사건을 고비로 대빙하시대와 빙기-간빙기의 반복이 시작되었다. 제3기의 시작은 현생생물의 시대인 신생대의 시작을 의미한다. 주요한 세계적 동물군의 변화가 백악기말에 일어났다.

육상에서는 공룡·익룡류들이 암모나이트나 몇몇 해양 무척추동물의 소집단들과 함께 멸종되었다. 벨렘나이트류(belemnites)는 가까스로 팔레오세까지 생존했다. 일군의 부유성 유기체들이 백악기-제3기 경계 근처에서 갑자기 사라졌음이 심해 퇴적물에 나타나 있다. 이런 복잡한 멸종양상이 어떤 공통된 원인이나 사건과 관련이 있는지는 아직까지 풀리지 않은 논제로 남아 있다.

백악기 동물군이 제3기 동물군들로 대체되었고 이들은 보다 현세적인 모습을 갖추고 있었다.

영국의 지질학자 찰스 라이엘은 각 세에 기록되어 있는 현세의 바다나 대양에서 발견되는 종(種)의 비율을 바탕으로 에오세·마이오세·플라이오세를 최초로 정의했다. 육상에서 공룡이 멸종한 후 포유동물들은 급격히 그리고 다양하게 진화했다. 백악기의 조상들이 크기가 작음에 비해, 많은 종류의 제3기 포유류들은 점점 그 크기가 커졌다.

제3기 육상식물은 백악기에 비해 무성해졌고 종류도 다양해졌다. 후기 백악기에 이미 피자식물, 특히 나무들과 관목들이 넓은 지역에 걸쳐 주요식생으로 자리잡았고, 에오세와 올리고세 동안에는 풀을 포함한 초본류들이 진화했다. 이와 함께 포유동물의 여러 가지 다른 진화계열에서 초식성 생존방식이 발달되었으며 육상 연체동물과 같은 다른 초식성 종의 수가 늘어났다.

동시에 곤충들이 매우 다양해졌는데, 나비목(나비류와 나방류)·딱정벌레목(딱정벌레류)·벌목(개미·벌·말벌류) 등이 특정한 피자식물 종이나 속의 번성과 함께 진화했다.

또한 제3기는 후기 백악기 동안 식충동물로부터 진화한 영장류가 다양해지고 그 수가 증가한 시기였다. 가장 오래된 것으로 받아들여지는 준인류 화석이 아프리카 동부에서 발견되었고, 연령은 약 1,800만~2,200만 년 전인 것으로 측정되었다.

아프리카 동부의 플라이오세 퇴적물에서 현세인류의 조상이라 여겨지는 가장 오래된 인류 화석인 오스트랄로피테쿠스 아파렌시스(약 400만 년 전)와 호모 하빌리스(약 200만 년 전)가 발견되었다(동물지리구). 해양 유기체 가운데 복족류 연체동물과 뼈를 가진 어류 등은 생태적 활동범위와 먹이습관의 특이성이 커지고 급격히 진화했다. 부유성 유공충은 빠른 진화와 넓은 분포로 인해 제3기의 해양층서와 기후를 이해하는 데 특히 중요한 역할을 한다.

유공충을 함유한 심해 퇴적물 시추 코어에 대한 고생물학적·고지자기·동위원소 연구는 대륙연변부나 심해 모두에서 제3기 해양퇴적물의 연령측정이나 층서대비에 상당히 정확한 정보를 제공해준다.