海洋中，水溫也開始下降，不同緯度之間的溫度差別加強了水流循環。產生二氧化矽的浮遊生物，例如矽藻和放射蟲類，在寒冷的中低緯度地區繁衍。大約3800萬年前新生代的中期，海洋中發生了一次事件，強烈地改變了海洋環境，標誌著地球氣候的一次重大改變。這時，深海中的海水寒冷刺骨。從深海有孔蟲的外殼獲取的證據表明，這時海底的水溫下降到了4℃～5℃。
生物的外殼難道是古代的溫度計嗎?科學家已經發展出一種巧妙的技術，可以利用有孔蟲外殼中的氧同位素的組成來計算古代海洋的溫度。氧有兩種穩定的同位素，氧16和氧18。在海洋生物的碳酸鈣外殼中，這兩種同位素的比例依賴於海水環境中的同位素組成以及生物生長時海水的溫度。在海水中，氧向位素的比例受到兩種條件強有力的控製，即海水的溫度以及地球上是否存在大量的冰。有孔蟲外殼的氧同位素的組成可以用一種叫質譜儀的儀器測量出來。然後，根據外殼中氧同位素的比例和對有孔蟲生長時海水的組成的估計，科學家就能計算出古代海洋的近似水溫。氧同位素法，尤其是利用深海岩心的有孔蟲外殼，已經成為研究古代海洋溫度、海平麵的變遷和地球以往的冰期曆史的最重要的方法一。
大約3800萬年前，臣量的冷水湧入深梅。許多生活在海底或接近海底的生物因為突如其來的水溫改變而死亡。強壯的種類和那些能遷移到溫水環境中的種類活了下采。但是，這股冷水來自何處呢？
大約在深海海水變冷的同時，南極洲周圍的環境變得嚴寒刺骨。澳洲大陸已經移向北麵，來自南印度洋和太平洋的冷水開始流進南極洲的一個小小的港灣——羅斯海，引發了第一次大規模的海冰的形成。在海冰形成時，淡水首先被凍結，鹽分被排除，使得周圍海水的鹽度變高，鹽度高的冷水因為密度高而沉入到周圍密度低的海水下。因此，南極洲周圍海冰的形成，導致了一係列的海水沉降，鹽度高、密度大的冷水沉入海洋深處，使深海的海水變得冰冷。隨之，頂層溫暖而底部寒冷的海洋就變成了標準，受溫度和鹽度的變化驅動的海流模式開始出現。
大約2000萬年前，地球還在發生著變化。非洲大陸的一條縫隙慢慢擴大，形成了狹長的紅海，使得沙特阿拉伯向北移動靠向亞洲大陸，封閉了古地中海水道的遺留部分。古地中海剩餘的部分成了一個幾乎封閉的海洋——現代地中海。這樣，發生在赤道周圍的暖水的全球輸運永久地停止了。從這時開始，赤道的暖水循環僅能在各自的海盆中發生。南方，南美大陸已經與南極洲分離，形成了現在的德雷克通道，在南極洲周圍形成了一條真正的環極地洋流，隨後南半球的海洋洋流發生了徹底重組。在南半球的高緯度地區形成了一個繁榮生長的區域；來自新西蘭的化石表明，大約這個時候，有大量的鯨魚和企鵝生活在這個地區。
海洋、大陸和大氣幾乎已經具備了它們現代的模樣。北大西洋正在擴張，格陵蘭島也已經從歐洲分離出去。將北大西洋和挪威海分開的冰島山脊開始平靜下來，並最終沉入海底。在北部的高緯度地區形成高密度的冷水向南流動，與北大西洋的海水混合，最終沉降入深海，表麵溫暖的海水開始沿著北大西洋的西邊向北流動，形成了灣流。這時，大氣中大約有21％的氧氣，78％的氮氣和少於1％的二氧化碳及其他氣體。
北半球發生的變化以及南半球由於一條全球循環的洋流把南極洲孤立起來，使南極洲及其周圍地區出現了大規模的冰蓋。深色的地球表麵，例如海洋，通過吸收大部分的光能而變得暖和；而那些被冰雪覆蓋的淺色地區，有效地反射了太陽的能量而保持寒冷。冰蓋覆蓋麵的增加提高了地球的反射效率，使地球進一步變冷。海洋中形成了一個新的洋流和溫度的分配模式。從海水表層到深海，從高緯度的極地到低緯度的赤道，都存在溫度上的差異性。海洋生物對溫度梯度產生反應，並慢慢形成新的生物地質分布區。溫水物種向海洋表麵和赤道遷移，而冷水性動植物則移向極地和深海。南極洲冰蓋的形成對地球有著深遠的影響，它阻止了2000萬年前地球氣候的變暖。
隨著全球性寒冷的來臨，氣候也變得幹燥了。廣闊的熱帶大草原和林地開始取代熱帶森林。食草動物發生進化，以便利用起不斷增長著的可食性植被資源；靈長類出現，它們的家族將演化出人類。風速開始提高，而沿著海岸，海洋深層的冷水不斷上湧，給海洋表麵帶來了豐富的營養物質。因此，光合浮遊生物繁生，浮遊動物增加，魚類也繁殖起來，整個食物鏈都是欣欣向榮的景象。灣流變得更加強大，它將暖水推向北麵，海水被冷卻後從海底返回南方。南極洲的冰川固定了大量的水，導致了海平麵大幅下降。
大約600萬年前，變冷的過程和冰蓋的產生使海平麵下降了大約40米(130英尺)。地中海與大西洋分離，海水不再進入，使得地中海成為一係列大的內陸湖，因為沿著赤道分布，湖水被熱帶的陽光和熱量烤曬著。隨著水分的蒸發，地中海的鹽度變得越來越高，就像現代的大鹽湖一樣。采自地中海海底深處的沉積物和岩心中，含有海水蒸發形成的礦物質的厚層，如石膏、岩鹽及其他鹽類，這說明地中海曾周期性地幹涸，後來又重新充滿海水。地中海的周期性幹涸對海洋也有重要的影響，它降低了海水的鹽度，使海冰可以在稍微高一點的溫度下形成。越來越多海冰的形成又增加了地球表麵的反射能力，使得氣候更加寒冷。後來，不知何故，全球性的寒冷暫時停止了，地球又開始溫暖起來。海平麵上升，海水開始湧入地中海，形成了自然界最壯觀的奇跡之一。海水從直布羅陀海峽洶湧而入，遇到了從入口的頂部到地中海海盆的底部將近2000米的落差，形成了一條，或者是一係列壯觀的瀑布；海水以幾千倍於尼亞加拉大瀑布的力量流入地中海。到500萬年前，地中海再一次被充滿。