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  始新世經常被分為早期和晚期,亦經常被分為早期、中期和晚期。其對應的岩層分別為下始新世岩層、中始新世岩層和上始新世岩層。根據不同的動物的活躍,始新世又可以細分為: 下始新世岩層主要由伊普雷斯階構成,有時還包括盧臺特階;上始新世岩層主要由普里阿邦階構成,有時還包括巴爾頓階;此外,盧臺特階和巴爾頓階則構成中始新世岩層。

  由於被稱為PETM,是地球地質歷史記錄中出現的最快的、強度最大的一次全球變暖事件,地球溫度迅速升高,始新世就此開始。這次迅速和劇烈的升溫(在高緯度地區溫度上升了7°C 之多)持續的時間少於10萬年,但是導致了大量物種急劇滅絕,從而形成了古新世和始新世生態系統的分野。  始新世的全球氣候可能是新生代中區域變化幅度最小的;從赤道到極地的氣溫變化幅度只有今天的一半,而深海洋流則異常溫暖。 極地地區比現在溫暖得多,接近於現今西北太平洋的溫度;溫帶森林已經擴充套件到了極地地區,同時多雨的熱帶氣候區則延伸至北緯45°地區。溫帶地區的氣候與現在相比大有不同,而熱帶地區的氣候則可能接近於今世。 不過最近在哥倫比亞發現的一種可能生活於始新世的巨蛇(約有校車大小)表明,可能相反的,當時的熱帶比現今溫暖的多,這也與計算機模擬出的始新世氣候相符。  儘管始新世的全球氣候仍然比較溫暖,但也正是在始新世後期,開始了全球變冷的緩慢趨勢,這可能是由發生於北冰洋的綠萍事件以及在岡瓦納古陸最終破碎之後形成的南極洲環流共同造成的。這種變冷趨勢最終導致了更新世冰期的出現。

  在始新世,各大洲繼續飄移向它們目前所在的位置。  始新世初始,澳大利亞和南極洲仍然相連,同時溫暖的赤道洋流匯入寒冷的南極水域,使得熱量在全球範圍內獲得分配,從而保持全球的較高溫度。但是在4500萬年前,當澳大利亞從南方大陸中分裂出來時,溫暖的赤道洋流開始偏離南極地區,在兩塊大陸之間形成了一個孤立的寒冷水道。南極地區持續變冷,南極水域開始結凍,並向北方輸送冷水和海冰,使寒冷局勢進一步加劇。  北方的超級大陸——勞亞古大陸也開始分裂,歐洲、格陵蘭島和北美洲相繼從中分裂而出。  在北美洲西部,於始新世開始了造山運動,在平原的抬升過程中形成了諸多巨大的湖泊,並進而沉積形成了綠河岩層。  在歐洲,阿爾卑斯山脈的抬升將特提斯洋的最後殘跡——地中海包圍,從而使特提斯洋最終消失,並形成了另外一個淺海,這個淺海的北部區域分佈著一系列的群島。雖然北大西洋正在擴張,但是北美洲和歐洲之間可能仍有陸橋相連,因為兩塊大陸上的動物區系十分相似。  印度次大陸繼續漂離非洲大陸,並開始撞擊亞洲大陸,喜馬拉雅山脈開始形成。  假說認為始新世溫暖的全球氣候是由深埋於大洋底部的甲烷氣水包合物被大量釋放引起的失控的溫室效應造成的。該種包合物本埋於泥層之下,但是受到了大洋升溫的擾動。甲烷的全球變暖潛能(即暖化能力)比二氧化碳高22倍。

  大量的現代哺乳動物化石最早出現於始新世早期。在始新世開始之初,一些新哺乳動物群到達北美。這些原始的哺乳動物,如偶蹄類動物,奇蹄類動物和靈長類動物,特徵是細長的四肢,有抓取物體的能力,可以透過鑑別牙齒來區分牠們的食性。小型化是主要發展趨勢,始新世所有新產生的哺乳類動物都是小型的,重量輕於10千克;且基於牙齒尺寸的關係,始新世的哺乳動物的體型只有原始的古新世哺乳動物的百分之六十。它們的體型也比其後的哺乳類動物小。人們認為始新世時期較高的溫度比較適宜小型哺乳類動物的生存,因為較之大型哺乳類動物,小型哺乳類動物更容易解決散熱的問題。  古新世時期的古老靈長類動物於始新世衰落了,而其生態環境中的許多適當的場所都被更有效的齧齒類動物所佔據。始新世中期的脊椎動物群不像始新世早期的那般分佈在世界各地;因此所形成的隔離狀態,使不同的進化趨勢得以出現在北美和歐洲的有蹄類動物群中。許多現代哺乳類動物的始祖都已經出現,包括蝙蝠、長鼻目動物、靈長目動物、齧齒類動物和有袋類動物。在北美洲西部、歐洲、巴塔哥尼亞、埃及和東南亞都發現了重要的始新世時期的陸生動物化石;海洋動物化石則在南亞和美國東南部有大量發現。爬行動物,如蟒蛇和海龜的化石也十分豐富。近年來在哥倫比亞發現瞭如校車般大小的巨蛇殘骸,這種巨蛇在如現今這般溫暖的赤道是無法生存下去的,印證了之前依據其他證據提出的高溫觀點 ("a snake of this size would require a minimum mean annual temperature of 30–34 °C to survive")。  在始新世,植物和海洋動物區系都和現今十分接近。許多現代的鳥類在始新世首次出現。一些科學家相信的第一種靈長目動物出現在5,500萬年前伊普雷斯階時期;但是分子鐘和新的古生物學發現都表明第一種靈長目動物可能出現得更早,大約在9,000萬年前的白堊紀。

  始新世的海洋溫暖而充滿魚群和其他海洋生物。 出現了:

  在始新世早期,因為高溫的氣候以及溫暖海洋,所以創造了一個潮溼而溫和環境。除了乾旱的沙漠之外,地表完全被森林所覆蓋。  極地地區的森林面積廣大。在北極地區的埃爾斯米爾島上發現了始新世時期的樹木化石以及儲存至今的樹木,如落羽杉和水杉。這些儲存至今的樹木不是化石,而是原先存在於沼澤森林缺氧的水中,並在未及腐爛的情況下被掩埋的實物。即使在那時,埃爾斯米爾島也只比今天所在的位置低了幾個緯度。另外,在格陵蘭島和阿拉斯加都發現了始新世時期的溫帶森林,甚至是熱帶植被的化石。熱帶雨林則擴充套件至太平洋西北岸和歐洲地區。  在始新世早期,棕櫚樹分佈範圍北及阿拉斯加和北歐地區,不過其後氣候變冷,棕櫚樹在這些地區漸趨衰落。水杉在這一時期也分佈廣泛。  在始新世中期開始的氣候變冷,致使到了始新世末期時大陸內部開始變得乾燥,在某些地區,森林分佈區域萎縮。此時新發展起來的草原也僅限於河岸和湖畔地區,還未擴充套件至平原地區和現今的熱帶或亞熱帶大草原地區。  氣候變冷亦導致了季節變化的出現。落葉樹種能夠更好的適應劇烈的溫度變化,於是比之常綠樹種,開始佔有優勢。在始新世末期,落葉林覆蓋了北方大陸的大片區域,包括北美洲、歐亞大陸和北極地區;雨林則只分布在了赤道和近赤道的南美洲、非洲、印度次大陸和澳大利亞。  在始新世開始之時,南極大陸上還覆蓋著大片的溫帶雨林,乃至是亞熱帶雨林,但是隨著時間流逝,氣候變得越來越寒冷;喜熱的熱帶植被消失了,到漸新世開始之時,這塊大陸上的植被變成了落葉林和廣袤的苔原。

  大置換,即物種連續性上的“大斷裂”,是3,350萬年前歐洲範圍內的一次物種大滅絕,標誌著始新世的最後一個階段——普里阿邦階的結束,此後,亞洲的物種大量遷入歐洲。大置換以大範圍的物種滅絕和小規模、孤立孑遺種群的異地物種形成為標誌;這個名稱由瑞士古生物學家漢斯·喬治·斯特林(Hans Georg Stehlin)所取,被用以形容始新世和漸新世交迭期間歐洲地區哺乳類動物的大規模滅絕。而在亞洲發生的類似規模的物種滅絕則被稱為“蒙古重建”(Mongolian Remodelling)。  大置換標誌著在亞洲物種大規模遷入之前,歐洲區域性動物區系進化鏈的斷裂。J·J·胡克(J.J.Hooker)及其團隊如此概括這次災難:  大置換前歐洲的動物區系主要由古獸科動物(馬的遠親)、偶蹄類動物的6個科(無防獸科、劍齒獸科、河豬科、長尾豬科、雙錐齒獸科和疑芻駝科)、齧齒類動物Pseudosciuridae,以及靈長類動物Omomyidae和Adapidae組成。  大置換後歐洲的動物區系中包括了一種最早的犀牛(屬犀科)、3個偶蹄動物科(巨豬科、炭獸科和吉洛鹿科,分別於現今的豬、河馬和反芻類動物有親緣關係)、多種齧齒科動物(如Eomyidae、倉鼠科、河狸科)以及無盲腸動物中的刺蝟科動物。而原來的古獸馬(Palaeotherium)、無防獸科動物、劍齒獸科動物和疑芻駝科動物則完全消失了。  只有有袋類中的皰負鼠科(Herpetotheriidae)動物、偶蹄類中的新獸科動物以及齧齒類中的Theridomyidae科動物和睡鼠科動物熬過了這次災難,種群並未衰退。  許多科學家認為大置換並非是由單一的原因造成的,不管這個原因是與初期的極地冰蝕和海平面下降相聯絡的氣候變化,還是來自亞洲的物種的競爭。另一個假說是一顆或多顆撞擊向西伯利亞和切薩皮克灣的火流星造成了這次物種大滅絕。與這一事件相關的、發生在之前的一系列全球性事件則進一步證實大置換髮生於漸新世最早期,大約比亞洲首批遷徙物種進入歐洲早35萬年。  大置換的變化模型中的一個重要支撐要素是——在大置換中,歐洲地區所有的靈長類動物都滅絕了;但是最近發現的一種生活於漸新世早期的、大小與鼠類相仿的靈長類動物——海岸潟湖靈長類(omomyid)(這一發現表明在那個時期,小型哺乳類動物更易於生存),則進一步削弱了這一大置換變化模型。
始新世(英語:Eocene)是地質時代中古近紀(Paleogene)的第二個主要分期,大約開始於5600萬年前-終於3400萬年前,介於古新世(Paleocene)與漸新世(Oligocene)之間。始新世(Eocene)之名,字源來自希臘文"eos"(開端)和"ceno" (新),指的是現代哺乳動物群出現的開始。始新世常被劃分成早期(距今5600萬年∼5,200萬年)、中期(距今5,200萬∼4,360萬年)和晚期(距今4,360萬∼3400萬年)。始新世早期最令人受到注意的是,原始的現代哺乳動物的出現。始新世結束於一個被稱作大置換(哺乳動物物種連續性上的“大斷裂”)的大型生物叢集滅絕。此一事件可能是關於一或數顆的大火流星撞擊西伯利亞以及現在的切薩皮克灣所造成。