L'era si estende da 252 a 66 milioni di anni fa e comprende tre periodi: Triassico (252-201 m.a.), Giurassico (201-145 m.a.), Cretaceo (145-66 m.a.).
Eventi geologici
All'inizio dell'era i blocchi continentali sono riuniti nel supercontinente Pangea, posizionato nella zona equatoriale e circondato dal grande oceano Panthalassa.
Dalla fine del Triassico e nel Giurassico si ha la frammentazione della Pangea in due blocchi, Laurasia a nord e Gondwana a sud, separate da un mare: la Paleotetide paleozoica. Questa comincia a chiudersi e, per espansione oceanica, si forma la nuova Tetide. Questa invade il cratone europeo e parte dell'Africa settentrionale con conseguente deposizione di imponenti serie sedimentarie.
La divisione dei due supercontinenti è data dall'apertura dell'Atlantico meridionale che spinge l'Africa verso Est.
La fase successiva è la divisione, nel Giurassico medio, della Laurasia in due blocchi: America settentrionale ed Eurasia.
Tra il Giurassico superiore e il Cretaceo inferiore si frammenta anche il continente Gondwana in diverse parti: America meridionale, Africa, Australia e Antartide. Queste ultime due migreranno verso sud. L'India si separa più tardi e inizia lo spostamento verso nord, mentre il Madagascar si separerà dall'Africa nel Cretaceo superiore.
La migrazione verso ovest dell'America meridionale e di quella settentrionale ha generato un'area di subduzione nel futuro Oceano Pacifico e il conseguente sollevamento delle Cordigliera delle Ande (200 m.a.), della Sierra Nevada (140 m.a.) e delle Montagne Rocciose (100 m.a.). Dalla parte opposta, cioè nell'area asiatica estrema si hanno altri corrugamenti, così come avviene in Antartide.
Alla fine dell'era Mesozoica si ebbe la formazione di un'ampia distesa di zone vulcaniche in India che hanno probabilmente influenzato il clima di quel periodo e i continenti si avviavano a disporsi nella posizione attuale, rimanendo tuttavia in gran parte ancora collegati.
Eventi climatici
Durante il Mesozoico il clima era molto più caldo dell'attuale e per questo non c'erano ghiacci perenni, né estese calotte polari. Inoltre, le terre erano tutte lontane dai poli. A causa dell'assenza di ampie aree ghiacciate i mari hanno raggiunto il massimo livello che la Terra ha conosciuto. Nelle aree più esterne della Pangea il clima era umido e soggetto a forti monsoni. Nelle zone interne, non raggiunte da masse umide e dove non c'erano mari epicontinentali, il clima era invece più secco e favoriva la formazione di aree desertiche.
Questo clima tropicale si mantenne per quasi tutta l'era. Quando però la Pangea si fratturò, i blocchi continentali si spostarono in zone più lontane dall'equatore e per questo alla fine del Cretaceo divenne più freddo e suddiviso in fasce secondo i paralleli: comparvero le stagioni.
Eventi biologici
La grande estinzione di massa del Permiano ha lasciato libere molte nicchie ecologiche che consentiranno un grande sviluppo evolutivo e l'ascesa di specie più moderne, soprattutto per quanto riguarda le Piante.
Il clima tropicale e l'alto livello del mare hanno favorito la ripresa e lo sviluppo di ampie scogliere coralline. Sempre nel mare predominano le Ammoniti, Molluschi Cefalopodi anche di grandi dimensioni, che hanno sostituito i Trilobiti come fossili guida. Ci sono Belemniti, di cui si trova facilmente il rostro, e le Rudiste, Bivalvi di grandi dimensioni.
Grande diffusione ebbero anche gli Insetti, con specie tuttora viventi, come api, formiche, termiti, zanzare e mosche.
Il Mesozoico è definito l'era dei Rettili, ai quali appartengono i Dinosauri - di dimensioni piccole e gigantesche -, che vanno ad occupare tutti i tipi di ambienti. Si differenziano forme terrestri erbivore e carnivore, marine (Ittiosauri) e volanti (Pterosauri). Si differenziano anche varie specie di Coccodrilli, alcune delle quali sono sopravvissute fino ai nostri giorni.
Tra il Triassico e il Giurassico compaiono i primi Uccelli e i primi Mammiferi, che stenteranno ancora ad affermarsi perché la maggior parte degli ambienti è ancora dominata dai Rettili.
Per quanto riguarda le piante, scompaiono le foreste ricche di Felci e si diffondono foreste con Conifere e Cicadee e nel Cretaceo si espandono le Angiosperme, che attirano gli impollinatori con i fiori. Sono presenti piante a noi note come i pioppi, le querce, i faggi, che nell'era successiva si espanderanno su tutta le Terra.
Alla fine dell'era c'è una nuova crisi ecologica, che ha portato alla scomparsa, oltre ai Dinosauri e alle Ammoniti, di circa il 75% delle specie viventi. Sopravvissero gli animali più piccoli e gli Uccelli.
Per quanto riguarda le cause di questa seconda estinzione di massa, sono proposte diverse ipotesi, raggruppabili in due categorie.
La prima, più catastrofica e improvvisa è quella della caduta di un enorme corpo celeste nella penisola dello Yucatan, in Messico, che avrebbe alterato profondamente il clima. L'impatto, infatti, avrebbe sollevato un'enorme quantità di polveri che avrebbe oscurato il pianeta, provocando un forte abbassamento della temperatura globale. A conferma di questo c'è la presenza di un sottile strato di sedimenti contenenti iridio al limite KT (transizione Cretaceo-Terziario, datato 65,5 m.a.), presente anche in Italia. Poiché questo elemento è raro sulla Terra, si suppone che derivi dall'impatto di un corpo celeste.
Altri studiosi propongono ipotesi meno drastiche e catastrofiche. Il declino di queste specie sarebbe già iniziato in precedenza e la causa potrebbe essere imputata alle modificazioni della vegetazione - diffusione di Angiosperme anche velenose - in conseguenza dello spostamento dei blocchi continentali, che non era adatta ad animali così specializzati. Contemporaneamente, un'intensa attività vulcanica avrebbe immesso nell'atmosfera composti acidi che avrebbero alterato il pH della acque marine. Da qui l'estinzione di molti animali con guscio calcareo. Il materiale proiettato conteneva probabilmente iridio e ciò giustificherebbe la sua abbondante presenza al limite KT.
Probabilmente l'estinzione è data da un insieme di cause di natura geologica, biologica e ambientale.