Abarca desde el final Oligoceno (hace aproximadamente 23 millones de años) hasta principios del Plioceno (hace aproximadamente 5'3 millones de años). Como es habitual, los límites estratigráficos que definen el principio y final del periodo están bien determinados, aunque su datación presente cierto grado de incertidumbre.
Los continentes continuaron, durante el Mioceno, derivando hacia sus posiciones actuales. Solo el puente que une Norteamérica con Sudamérica no estaba aún establecido, aunque el desplazamiento de este último subcontinente dió origen en esta época al surgimiento de los Andes.
La India continuó colisionando con Asia, creando más cadenas montañosas. El mar de Tethys terminó desapareciendo cuando África colisionó con Eurasia hace entre 12 y 19 millones de años. En consecuencia, fue esta una época de levantamiento de grandes montañas en la zona del Mediterráneo.
La tendencia global fue hacia una creciente aridez, motivada por el enfriamiento de la atmósfera y la consiguiente disminución de su capacidad para retener la humedad, lo que dio lugar a la desaparición de los bosques húmedos en la zona del este de África.
Mientra que este tipo de bosques tuvieron un receso durante el Mioceno debido al clima más frío y seco, las zonas de pradera se expandieron, propiciando el incremento de los herbívoros.
Tanto la fauna marina como la continental de la época, presenta un aspecto moderno, aunque los mamíferos marinos eran aún poco abundantes. Solo en Australia y en la aún aislada Sudamérica existía una fauna divergente.
También se puede encontrar en el Mioceno aves de aspecto moderno. Al final de esta época, todas o casi todas las familias modernas estaban ya presentes. Las aves marinas alcanzaron su mayor diversidad.
Cien o más especies de simios vivieron durante este periodo. Ocuparon la mayor parte del viejo mundo y se diversificaron en tamaño, dieta y anatomía. Debido a la escasez de restos fósiles es difícil decidir cuál de ellos contribuyó en mayor medida a la evolución de los modernos homínidos.
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