（開始於6500萬年前，結束於2330萬年前）
早第三紀在地史上經歷的時間相對較短，但在這段時間形成的沈積物與中生代有明顯的不同。下第三系含有豐富的各種生物類群的。這些化石為下第三系的劃分、對比以及標準層序和層型剖面的建立起著關鍵性的作用。世界上不少地區在早第三紀形成了界線較為分明的海相和海陸過渡相的地層，如西歐下第三系標準層序劃分為11個階。在北美中西部、亞洲中部等地區也形成了以河湖相為主的陸相沈積，尤以美國落基山脈的盆地分布區最為典型。
下第三系除以巖石地層、古地磁和同位素測定為依據外，主要采用古生物組合（或動物群）、層序和層型剖面等對比方法來劃分。由於各門類生物進化速率不同，各地沈積並非同時，因此地層的劃分常與上述研究提供的論證不相吻合，以致對比和界線常引起爭議。如海相地層中的達寧階（丹麥）和阿基坦階(法國)的時代歸屬就有不同認識。
有人認為達寧階的棘皮動物(Echioids)等具有晚白堊紀的特征，但是據克裏米亞、高加索和裏海周圍地區以及丹麥、瑞典南部浮遊有孔蟲和棘皮動物化石的研究，它們與古新世類型有密切關系。因此較多的學者認為，中生界與新生界分界應置於馬斯特裏赫階與達寧階之間。但仍有壹些學者認為，中生界與新生界界線應劃在達寧階與蒙蒂階之間。阿基坦階的歸屬問題，古生物學家從軟體動物和哺乳動物研究認為，它的生物群與下部斯坦普階的化石有著明顯的繼承關系，而與晚第三紀相比有壹定的差異，他們主張阿基坦階定為漸新世的頂界。
中國下第三系發育齊全。在全國數百個盆地中，廣布了很有特色的陸相地層。如今世界上古新統的發現為數不多，主要以美國居多。亞洲在20世紀初僅在蒙古發現了壹個地點。1960年以來，中國在8個省和自治區陸續發現了不少重要的古新統地點。中國陸相古新統以下部的上湖組和上部的池江組為代表。古新統已發現的動物化石幾百種，其中含有脊椎動物100多種。始新統在中國有良好的發育，如內蒙古地區的典型層序阿爾丁曼階和錫拉木侖階已獲國際上公認。
中國海相下第三系見於喜馬拉雅山區、塔裏木西緣和東海陸架──臺灣島。喜馬拉雅山區有特提斯型古新統和始新統，古新統包括宗浦組下部，下、中始新統包括宗浦組上部和遮普惹組，它們含大有孔蟲、介形蟲和軟體動物化石。塔裏木西緣下第三系主要是喀什群，包括古新統、始新統，另外，漸新統包含於烏恰群底部，它們含有孔蟲和軟體動物等化石，屬於中亞副特提斯海區。臺灣北港地區鉆孔中發現古新統雲林組，有鈣質超微化石，西部山麓帶和中央山脈帶有始新世畢祿山組、十八重溪組、達見組，晚始新世―早漸新世西村組，早漸新世四棱組、中、晚漸新世水長流組、花港組和五指山組，它們主要以有孔蟲、鈣質超微化石和軟體動物化石為時代依據。東海陸架下第三系發育良好，其中古新世靈峰組、始新世甌江組有孔蟲、鈣質超微化石序列完整，為西太平洋地區最完善的海相地層序列。
此外，為了使典型層序逐步完善和具有壹定的代表性，仍需加強界線和全球性事件的研究。早第三紀地層對比簡表（見表[早第三紀地層對比簡表]），其中有些地層單元的對比關系尚不夠了解，如海相與陸相有關層位的對比等，這在闡明區域或國際間有關層位相互關系帶來壹定的困難。 （距今2330萬年—距今164萬年）晚第三紀地層的劃分與對比有其獨特而復雜的歷史。
統的劃分
上第三系分為中新統和上新統。這兩個統分別源於萊伊爾的地質年代單元，即中新世和上新世。它們是根據地中海周圍海相雙殼類化石組合中現生種的含量確定的：中新世含現生種18%；上新世含現生種49%。萊伊爾定名時，沒有指定典型層位和地點，也沒有確定界線，更沒有考慮到它們是否能在全球適用。這是造成後來長期爭論和混亂的根本原因。雖然如此，絕大多數地質學家都同意，上第三系的統的劃分應以研究歷史最久的地中海周圍的海相地層為準。
中新統的底界，即上第三系的底界應以阿基坦階的底界為準，它代表了漸新世末海退之後的壹次廣泛海侵的開始，大約發生於2400萬年前。中新統的上限，即上新統的下限應在墨西拿階和贊克爾階之間。墨西拿階代表古地中海區域壹次廣泛的海退，是有名的成鹽期。贊克爾階代表壹次海侵。這壹條界線，由於長期來被錯誤地與陸相地層中的三趾馬動物群的出現聯系在壹起，而推定為距今約1200萬年（這也是古哺乳動物學家根據生物演化規律而推算出的結果）。
如今已有大量的證據證明對海相中、上新統的界線年齡的推斷是錯誤的。實際它距今只有大約550萬年。上新統的頂界,即上第三系的頂界在皮亞琴察階和卡拉布裏亞階之間。第18屆國際地質大會(1948)把這條界線定為上第三系與第四系在海相層中的界線。關於這壹界線的年代的意見已趨於壹致，即生物群總體面貌發生較大變化的界面與古地磁年表中松山反向期中的奧杜威正向亞期的上界大體同時，即距今約170萬年。中、上新統在時限上太不均衡，上新統的時限太短(約300萬年),而中新統的時限又太長（約1900萬年）。此外，這些統的界線不能反映全球性重大的地質和生物事件。事實上，各大陸的晚第三紀的生物和地層年代劃分的界線大多與上述界線不相吻合。因此，這種統（世）的劃分已失去其作為全球性劃分單元的性質。
階的劃分
中國晚第三紀哺乳類層序及與西歐對比
上第三系的階只有地區意義。在古地中海周圍的海相地層中，中新統分為6個階，上新統只有兩個階。在中歐和東歐，上第三系主要以副地中海的海相、半鹹水封閉內陸海和陸相互層為代表。這些地層在19世紀中期和後期曾是著重研究的對象，出現過大量的地層名稱。其中有些是相當著名並被廣泛應用的，例如蓬蒂階等。副地中海有極為復雜的演變歷史。因此，它的地層單位之間以及它們和古地中海海相階的對比造成過極大的混亂。
從20世紀60年代末開始，經過多學科長年大量的工作，這些問題已逐步得到澄清。在地中海晚第三紀地層分委員會第7次(1979，雅典)和第8次（1985，布達佩斯）大會上已經提出了中副地中海和東副地中海兩個區域地層劃分方案，地層對比問題也已基本解決。
在歐洲，陸相上第三系也很發育，而且富含哺乳動物化石。但是陸相地層相變大，連續沈積少，層序關系常常不清（例如裂隙堆積），與海相交互沈積少，多富集於少數層位和地點，這就使海、陸相的對比十分困難。在相當長的壹段時期內，歐洲的陸相上第三系沒單獨的階。古生物學家越來越感到有建立獨立的陸相地層劃分順序的必要。西班牙有較連續的陸相沈積，這壹工作首先由西班牙人M.克魯撒馮開始，於20世紀50年代末建立了瓦裏西和土洛裏兩個階。1975年，西歐壹些古哺乳動物學家在德國慕尼黑聚會,提出了以7個“期”為基礎的歐洲陸相地層劃分方案。把它們主要稱作“期”，而不是“階”，是因為這些單元大多都不是建立在地層實體的劃分上，而是建立在不同的哺乳動物組合上。在這次會上以P.曼為首的壹些古生物學家，仿效、研究洋底鉆芯微體古生物學家的辦法，把晚第三紀的哺乳動物分成17個帶，稱作MN帶。每壹個帶都列出了代表性動物群名稱，特征屬種，首次和末次出現的分子等。這兩種劃分已經成為當前陸相地層的全球性對比的標準。海相沈積僅分布在臺灣、海南島及沿海極個別的地段。中國上第三系研究起步晚，從20世紀20年代才開始，而且主要限於晚第三紀中後期的哺乳動物化石方面。在30～40年代，曾發表大量有關三趾馬動物群方面的專著。但在地層劃分方面工作不多。80年代以前，中國壹直沒有壹個獨立的上第三系階壹級的劃分體系；三趾馬動物群和泥河灣動物群分別借用了歐洲的蓬蒂期和維拉弗朗期的名稱；其他動物群只是籠統地劃歸中新世或上新世；而且壹直沒有發現早中新世的哺乳動物。
1984年，李傳夔等首次提出壹個與歐洲大體對應的7個期（階）的劃分方案。最近的工作表明，中國至少也能劃分出15個哺乳動物帶來。中國下中新統僅發現於青海西寧、甘肅蘭州、河西走廊、新疆準噶爾盆地等處，主要為河湖相碎屑沈積；中中新統發現於寧夏同心、陜西藍田、江蘇泗洪、內蒙古通古爾、山東山旺和雲南開遠等地。大部分屬河湖相沈積，也有和等湖沼沈積。晚中新統廣布全國，只華南和東北尚未發現哺乳動物化石。黃河以北、汾河以西主要為土狀堆積，即所謂的三趾馬紅土，汾河以東為河湖相沈積；黃河與長江之間發現較少，在鄭州和襄樊壹帶有灰巖；雲南則多沼澤相，有褐煤。70年代在西藏希夏邦馬峰北坡也發現三趾馬化石。上新統發現較少，僅零散分布於陜西、山西、河北等省和盆地中。