中生代從二疊紀-三疊紀滅絕事件開始，到白堊紀-第三紀滅絕事件為止．自老至新中生代包括三疊紀、侏羅紀和白堊紀．中生代時，爬行動物（恐龍類、色龍類、翼龍類等）空前繁盛，故有爬行動物時代之稱，或稱恐龍時代．中生代的哺乳動物雖然分化成很多不同的類群，但所有這些哺乳動物都是些體型非常小的動物三疊紀的全球氣候較為乾旱，季節性變化大，尤其是盤古大陸內部；自石炭紀晚期開始，全球的氣候逐漸變得乾旱。這段時期的海平面低，可能助長了極端的氣溫。由於水的比熱高，大體積的水體可以穩定氣溫，尤其是海洋，而鄰近大規模水體的陸地氣溫變化較小。由於盤古大陸的內陸區域離海洋很遠，這些地區的氣溫變化非常大，可能有廣大的沙漠。大量的紅層與蒸發巖（例如鹽），支援這個理論。在侏羅紀時期，海平面開始上升，原因可能是海底擴張的加速。新形成的海洋地殼，使海平面上升至現今的海拔200米左右。此外，盤古大陸開始分裂，形成特提斯洋。氣溫逐漸上升、穩定。由於各大陸接鄰海洋，沙漠縮小，大氣中的溼度增加。白堊紀的氣候狀況較不確定，也較多爭議。大氣層中的二氧化碳含量高，使熱帶與極區的溫度梯度較為平順，各地區的氣溫差異不大。平均氣溫高於現今約攝氏10°。在白堊紀中期，赤道地區的海洋底層溫度約為攝氏20°，對於許多海洋生物可能過於溫暖，鄰近赤道海洋的陸地反而成為沙漠。海洋低層的氧氣迴圈系統，可能因此緩慢、中斷。因此，大量的生物有機體無法順利分解，進而大量堆積，最終沉積成油頁岩。但是，不是所有的現存資料可以支援以上假說。即使全球的氣候溫暖，極區的冰帽、冰河仍最造成氣溫的變動；但並沒有發現白堊紀有冰帽、冰河存在的證據。定量模型可能無法重建出白堊紀的平坦溫度梯度。在中生代時期，大氣層中的氧氣含量約12到15 %，低於現今的20到21 %。某些科學家甚至提出12%的氧氣含量，因為這是自然燃燒的最低氧氣濃度。但是一個2008年的研究，認為自然燃燒的最低氧氣濃度是15%。