Sur l'échelle des temps géologiques, le Pliocène est la seconde époque et la plus récente époque géologique du Néogène. S'étendant de 5,332 ± 0,005 à 2,588 ± 0,005 millions d’années, il est suivi du Pléistocène et précédé par le Miocène. Cette période a été dénommée par Charles Lyell à partir du grec πλεῖον / pleîon (« plus ») et καινός / kainós (« nouveau », « plus récent »), en référence aux mammifères déjà essentiellement modernes.
La fin du Pliocène est définie par l'inversion du champ magnétique terrestre dite Gauss-Matuyama, qui fait passer la planète de la polarité « normale » à la polarité « inverse ».
Au début de cette époque, les continents sont à moins de 250 km de leur position actuelle pour s’en situer à moins de 70 km vers la fin.
Le principal changement est dû à l'irruption de l'isthme de Panama, connectant l’Amérique du Nord et l’Amérique du Sud et conduisant à une extinction presque complète des marsupiaux distincts de l’Amérique du Sud. La formation de cet isthme entraîne aussi la disparition des courants équatoriaux chauds et ainsi un cycle de refroidissement de l’Atlantique, une augmentation de l'humidité de l'air dans l'Arctique, et finalement l'englacement de l’hémisphère nord[3]. Le climat devient globalement plus froid et sec mais avec des cycles plus chauds entre 3,2 et 2,0 Ma, le maximum de température apparaît vers 3,05 Ma[4], l'inlandsis de l'Antarctique s'épaissit tandis qu'apparaît celui du Groenland, des glaciers apparaissent aux latitudes moyennes durant le Gélasien, premières des glaciations qui vont se poursuivre pendant tout le Pléistocène.
La collision de la plaque africaine et de l’Europe se poursuit, les Alpes et les Pyrénées continuent leur orogenèse. Cette orogenèse ainsi que les mouvements tectoniques de surrection des Montagnes Rocheuses ont augmenté les phénomènes d'érosion et le piégeage du CO2 atmosphérique sous forme de carbonate, diminuant ainsi la concentration du CO2 atmosphérique de 400 à 280 ppm (pour l'année 2016, 404 ppm), ce qui a, de manière déterminante, poussé le climat mondial dans une époque glaciaire[5].
En Europe, la collision avec la plaque africaine provoque une extension est-ouest de la croûte terrestre et la formation du graben du Fossé rhénan, la surrection des Vosges et de la Forêt-Noire[6]. Il y a eu à cette époque des connexions interfluviales entre le Danube, le Rhin, le Doubs et le Rhône[7],[8].
Les forêts tropicales continuent à se réduire et n’occupent plus qu’une étroite bande autour de l’équateur, laissant la place à des savanes, les graminées conquièrent tous les continents. La végétation de type méditerranéen fait son apparition. Les forêts tempérées d'arbres à feuilles caduques s’étendent aux latitudes moyennes. Les conifères et la toundra couvrent les latitudes élevées de l’hémisphère nord, l’Antarctique devient un désert glacé.
Les poissons ne connaissent pas d'évolution majeure au cours de cette période, sauf pour le groupe des poissons cartilagineux : des requins sont atteints de gigantisme notamment avec l'apparition d'Otodus megalodon, un requin prédateur de plus de 15 m de long qui s'attaquait aux baleines encore en pleine évolution. À partir de cette période - et jusqu'à l'heure actuelle -, les requins s'imposent comme l'espèce prédatrice dominante des océans malgré la concurrence des mammifères marins tels que les cétacés à dents. Depuis leur apparition au cours du Paléozoïque, les requins n'avaient pu auparavant s'imposer dans les océans. Ils subissaient dans un premier temps la concurrence de poissons osseux primitifs tels que le Dunkleosteus, puis celle des reptiles marins tout au long du Mésozoïque ; les requins occupaient donc alors une niche basse dans la chaîne alimentaire au sein des océans. C'est seulement après la disparition des reptiles marins que les requins ont pu atteindre la niche écologique haute. Par ailleurs, jusqu'à l'apparition des premières baleines non prédatrices, aucune proie ne permettait aux requins de grandir de manière aussi importante que lors du Pliocène. Avec la période glaciaire, les baleines développent une couche de graisse et migrent vers des eaux beaucoup plus froides, là où le Mégalodon ne peut survivre ; ainsi cesse le règne de ce dernier tandis que les requins passent au sommet de la chaîne alimentaire des océans.
L’Afrique est dominée par les ongulés, les primates continuent leur évolution, les premiers hommes apparaissent pendant le Gélasien. Les rongeurs sont prospères, la population des éléphants augmente. Le nombre d’espèces de bovidés augmente et devient supérieur à celui des porcins. Les premières girafes apparaissent, les premiers chameaux émigrent vers l’Asie depuis l’Amérique du Nord. Les ursidés, canidés et mustélidés, eux aussi originaires d’Amérique du Nord, se joignent aux félidés, hyènes et civettes d’Afrique, forçant les hyènes à se spécialiser en nécrophage.