菊石从鹦鹉螺演化而来，是一种具有厚厚的、紧密环绕的、有脊状突起贝壳的生物，庞大的身体能长到将近2米的直径。与鹦鹉螺一样，菊石也是一种灵活而聪明的捕食者，它们通过一个管状漏斗强有力的喷射水流在海洋中运动，这个漏斗是一种体内的喷射发动机系统。现在，除了令人望而生畏的恐龙、鲨鱼和潜水鸟类外，海洋生物还必须躲过身着盔甲，喷气式驱动的菊石的袭击，再加上20米体长的掠食性的乌贼，3英尺宽的巨蚌和18米高的塔一样的海百合，中生代的海洋变成了一个不可思议的、危机四伏的地方。同样的，海滨地区也好不到哪儿去，因为庞大而敏捷的爬行动物，包括新演化出来的鳄鱼，都在那里虎视眈眈。
靠近海洋的表面，生命同样繁盛。小型的浮游生物正在繁殖并扩大活动范围。有孔虫进化出了浮游种类，一种含钙的叫做颗石鞭毛藻的藻类开始出现，它们是一种小型的、金褐色的浮游藻类，表面被微小的、称作球石的圆舌状的碳酸钙小片所覆盖。到了中生代后期的白垩纪，这种藻类的数量惊人，以至于它们在海底大量积累，形成了颗粒很细的、白色的海泥（泥地）。年复一年，这些沉积物压实硬化成为厚厚的具有精细花纹的白色石灰岩矿床——白垩层。丹佛著名的白色悬崖，就是由中生代成千上万的微小的球石堆积而成的。
另一种海洋中的浮游种群叫腰鞭毛虫，是一种小型的单细胞藻类，具有与花粉类似的纤薄的纤维素外被，以及用来运动的两条鞭子一样的尾巴，或称之为鞭毛。腰鞭毛虫将会发展成为浮游生物中的重要成员。在现代海洋中，腰鞭毛虫不仅能产生一种十分难看的，有毒害的现象，称为赤潮；而且，它们还能在夜晚产生令人惊异的海洋生物发光。
中生代晚期，硅藻出现并成为又一种重要的光合浮游生物种群。硅藻具有小小的由二氧化硅形成的盒状的外壳，能以单一个体存在或形成精密的长链。在现代海洋的冷水水域中，硅藻特别丰富，但在古代海洋中，它们则普遍存在于火山活动地区。硅藻能够利用火山灰提供的二氧化硅制造它们小小的硅质外壳。这一时期，海洋中的硅质放射虫类十分丰富；翼足类，或称之为海蝴蝶，也出现在海洋中。翼足类是一种很纤巧的上下倒置的蜗牛类动物，足部变形而形成像蝴蝶一样的翅膀。有一些翼足类具有小小的、像纸一样薄的、由霰石（碳酸钙的一种类型）形成的管状外壳，而另一些种类则是裸露的，不具有小小的外壳。
在海底，藻类也是多种多样的。具有碳酸钙骨架的海洋植物——钙质藻类，在海底扩张并演化出新的种类。如一种叫做仙掌藻的藻类，具有由相连的板状物形成的内部骨架，每一片板状物都近似于一个淡色的鳞片，与燕麦片或小麦片相似。当这种藻类死亡后，这些骨架的板状物就散落海底，形成碳酸盐沉积层。仙掌藻将成为热带环境中最重要的沙滩制造者之一。
当生物死亡后或者被雨水冲刷进海洋时，它们的遗骸就落入海底。如果有氧气存在，这些遗骸就会分解腐烂，但是，如果海底有机质丰富而又没有的足够的氧气可供利用的话，这些遗骸可能还没分解就被掩埋了。随着压力和温度的上升，埋藏在地底深处的有机质可能转变为珍贵的碳氢化合物，如石油和天然气。现在开发的许多大型油田都是中生代的海洋和海洋中丰富的微小的海洋生物的产物。因为有如此大量的有机质被埋藏，中生代的海洋必定会发生周期性的缺氧现象，但这一现象为什么会发生，持续了多长时间，目前还不得而知。一种理论认为，氧气的耗尽是因为海水流动缓慢。在中生代的海洋中，表层和底部的海水水温相差不大，有人认为，这是海水循环缓慢，深层海水中的氧气更新缓慢，以及大量的有机碳周期地在海底沉积的结果。而且，在封闭的浅水盆地里，因为蒸发而产生的高密度、高盐分的水也可能时不时地涌入大海，进一步消耗着海洋中的氧气。在白垩纪后期，中生代即将结束时，这种富含有机质而缺氧的沉积物变得罕见了。大西洋和印度洋的不断扩大，或者间歇性的气候变冷，可能足以加速海洋的循环过程。
总的来说，白垩纪时的气候是温暖的，海平面很高，浅水海域覆盖了地球的大部分地区。虽然，海平面、气候和海洋中的生物类型都在不断发生着改变，但总体上，这一时期的海洋是温暖而平静的——可能还会变得更加温暖。海底的扩张速度很快，可能是有史以来最快的，而且地球上的火山活动非常猛烈。在西太平洋（泛古洋的遗留部分）洋底的下面，许多炙热的熔岩从地球深处喷涌出来，产生了强烈的火山爆发。大量滚烫的岩浆和气体的喷发，使得海平面上升，气候变得更加温暖。海洋中，生物依然不断地发展繁盛着，到处是个体大的捕食者、灵活的鱼类和小的浮游生物。珊瑚虫成为另一类的礁石制造著，珊瑚礁的高度不断上升，这些珊瑚礁点缀在大陆边缘，处于沉没的死火山的山顶上。牡蛎和一种叫做厚壳蛤的类似珊瑚的双壳类生物在海中繁盛。在平静的渴湖中，海胆、海星、海蛇尾以及其他的棘皮动物正欣欣向荣。在白垩纪，如此众多的制造碳酸钙的生物生活在海洋中，它们的骨骼和贝壳的沉积产生了一些迄今为止最壮观的石灰岩的矿藏。但是，生命的繁盛并没有持续太久。
白垩纪晚期，大约6．5亿年前，又一场生物大灾难爆发了。这就是经常所说的K—T界限，指的是白垩纪（地质年代表上用K表示）的结束和第三纪的开始。在几百万年的时间里——这只是地质时代的一瞬——所有的恐龙家族，无论大小，都完全消失了。有人认为，地球陆地上所有体重超过55磅的生物物种都没能逃过这场灾难。大约70％的动植物种类都灭绝了，海洋中的生物，尤其是那些生活在海洋表层的生物，更是遭到了毁灭性打击。菊石和其他的软体动物，还有一些硬质珊瑚、海胆、鱼类和几种海洋爬行动物都灭绝了。浮游性的有孔虫和颗石鞭毛藻类几乎都消失了，许多深海物种也失去了踪影，在浅水区域尤其如此。
许多年来，科学家们对在K—T界限发生的大规模的生物灭绝迷惑不解。直到1980年，地质学家阿尔瓦里茨和他的儿子沃尔特提出了一个激进的观点，他们认为，大约6500万年前，一颗巨大的小行星撞击地球，产生了剧烈的爆炸，严重地改变了地球的气候，从而使地球上大部分的生命都被消灭了。这一理论的依据是一种富含铱的土壤薄层。这种薄层首先发现于意大利，后来在全世界都发现了，经测定它们都在K—T界限时期的物质。铱在地球表面并不常见，但阿尔瓦里茨和沃尔特观察到，陨石中经常存在高含量的铱，他们认为，如果一颗足够大的富含铱的小行星撞击地球并发生爆炸，那么，大量的富含铱的尘埃颗粒就会散发到大气层中，最后，地球表面就会覆盖上一层富含铱的尘土层。经过计算，含铱泥土里存在的铱，需要一颗大约10公里（6英里）直径的小行星撞击才能产生。
以后，还发现了一些其他的证据，用来支持在K—T界限时期曾发生过巨型小行星撞击的观点。在K—T时期的泥土层中发现了变形的石英晶体，或称为撞击石英的碎片，是曾发生过强烈的爆炸的证据。在这一时期的沉积层中还发现有玻璃状的颗粒，这些颗粒与爆炸中飞溅出来的滚烫的熔岩迅速冷却固化后的状态完全一致。科学家还发现了岩石无序沉积的痕迹，这些痕迹的特性暗示了一次强大的海啸造成的强有力的冲击过程。假如行星有一部分撞击在海洋中，那么撞击形成的滔天巨浪就会横扫地球表面，将沉积物冲击成混乱堆积的岩石遗迹。在K—T层中，还发现了大量的烟灰，说明曾发生过一场大火。研究者计算后得出，要获得已发现的烟灰的含量，需要燃烧比现在整个地球上存在的还要多的森林。最后，在尤卡坦半岛的北部海岸，地质学家赫尔德布兰德发现了一个部分淹没在海中的陨石坑，直径约180～200公里，陨石坑中大量的撞击石英和巨大的裂开的岩石都证明，曾发生过一次强烈的爆炸。这一陨石坑被称为Chicxulub陨石坑。
目前，这是毁灭性的K—T撞击最可能发生的地点。
现在，许多人接受了6500万年前，一颗巨大的小行星撞击导致生物灭绝的理论。现代的空间科技使人类能够辨认和跟踪太空中巨大的小行星，可以观察陨石撞击其他的星球。根据这些认识和地球上其他的巨型陨石坑，行星撞击理论看来更加合理了。但是，一些科学家仍不相信一次行星撞击只是让恐龙灭绝了；他们认为，大灭绝可能是宇宙和地球事件——包括这一时期强烈的火山活动——共同作用的结果。
想像着一颗巨大的小行星撞击地球，确实是一件令人恐惧的事。在撞击中，发生的猛烈爆炸相当于100万亿吨炸药的威力，将岩石的碎片、炙热的岩浆和尘埃掀入高空大气层，甚至被抛入外太空里。最初的爆炸和燃烧形成的碎屑落回地球，形成了全球性的“火”暴雨。爆炸的能量引发了巨大的海啸，横扫过整个海洋和陆地。撞击使大气中大量的氮气转变成氧化氮，形成腐蚀性的酸雨。即使有的生物在撞击、爆炸、大火和海啸的冲击下生存了下来，它们还得接受一次强酸的洗礼。大量的尘埃和灰烬停留在大气层中，使白昼变成了黑夜，黑暗笼罩了地球几个星期，几个月，甚至一年的时间。没有了光，光合作用无法进行，海洋中的光合浮游生物——海洋食物链的基础——灭绝了。缺少了主要的食物来源，海洋浮游动物只好挨饿，接下来，鱼类也吃不饱了，最后，海洋中的大型生物就遭殃了；同样的事情也发生在陆地上。发生在K—T界限的巨大的行星撞击产生的可怕后果是有据可查的，这已经激发了许多科学家去研究将来再发生一次灾难性行星碰撞的可能性，并谨慎地思考着行星碰撞在演化过程中的最终作用。
新生代：现代生命的发展
白垩纪的结束标志着新生代——现代生命时代的开始。新生代的时间跨度从6500万年前直到现在，它与以往的历史时期有着显著的差别。这时，生命发展的条件已经具备，就看谁能够适应、对抗和忍受正在变化的环境条件了。脆弱的物种将不得不与捕食者和多变的环境做斗争；只有强健的个体才能生存。在海底和陆地上，形成了高耸的山脉，永久性地改变了地球的气候。海洋的温度和环流都发生了意义深远的变化，影响着地球和地球上生命的分布。哺乳动物成为陆地的统治者，并最终进化成为人类的祖先。
与较早的历史时期相比，我们对新生代的了解比过去的历史时期要多得多，因为我们能够得到更完整的化石和岩石记录。虽然描述新生代的著作非常多，但这一时期仅仅只占了地球45亿年历史的1．5％。
在6500万年前，当K—T撞击的尘埃和灰烬落尽的时候，地球的表面开始变得有些和现代相似了，出现了广阔的陆地和越来越大的海盆。这时，早期的南大西洋位于非洲和南美大陆之间，狭窄的北大西洋正在欧洲和北美大陆之间形成。曾经和南极洲相连的澳洲大陆已经分离开来，并慢慢向北移动。同时，印度板块已经与非洲大陆分离，并向北移动，很快将与亚洲大陆相撞。新生代早期，大陆位置的改变和海盆的扩张对古代海洋的环境有较大的影响，不久，对整个地球都将产生影响。古地中海水道和它的赤道环流停止了。澳洲和南美大陆正向北移动，南极洲更加接近南极，一股新的环流正沿着南部大陆形成。地球正在变成一个有着多个海盆的星球，一条巨大的海底裂缝和山脉横贯地球的表面，像一个不断扩大的伤口一样。最后，大洋中脊将在地球表面蜿蜒达60000公里，成为地球上最大的但沉没于海底的山脉。
目前的一个理论认为，在新生代早期6000～5500万年前，当地球和地球上的生物正在从K—T碰撞中复苏时，是一段陆地上和海洋中发生强烈的全球变暖的时期。可能加勒比海猛烈的火山喷发和大量的甲烷涌出海底，使得地球变得更加温暖。有人认为，海洋变暖和它所引起的深层海水的滞流导致了另一次大规模的海洋生物的灭绝，尤其是深海有孔虫的许多种类。陆地上，全球变暖的这段时期为哺乳动物的繁殖和它们在大陆上的扩张铺平了道路。
那些经历了中生代后期行星大碰撞生存下来的生物开始复苏，随着新生代的推移，新的世界秩序开始形成。陆地上，植物开始生长，将大地变成一片绿色。气候温暖而湿润；热带森林从赤道延伸到中纬度地区，林地出现在两极地区。没有了食草恐龙的觅食，植被生长繁茂。在大爆炸中生存下来的小型哺乳动物在大陆上扩张，种类多样化起来，不断填补着恐龙留下的空缺。随着哺乳动物形体的增大，它们能适应更特殊的环境，进入新的栖息环境，例如海狮、海豹和海象能够在水中嬉戏玩耍。随后，鲸鱼和海豚出现在海洋中。
早期的鲸鱼是一些有齿的种类，同海豚、逆戟鲸（OR—CAS）和抹香鲸一样。与它们在陆地上的哺乳动物同类们不同的是：鲸鱼没有毛发或毛皮，而是代之以光滑的皮肤，这有助于它们在水中游动。鲸鱼进化出厚厚的皮下脂肪层，使它们在冷水中也能保持温暖；在陆地上用于行走的四肢消失或转变成了桨状物；外鼻孔从头部前端移到头骨的顶端或后部，成为呼吸的通道。鲸鱼拥有巨大的有弹性、可折叠的肺，有利于它们的深海潜泳；它们的耳朵变得对水下的声音和震动敏感，这使鲸鱼和海豚进化出回声定位的本领。后来，海洋中出现了须鲸类，如露脊鲸和巨大的蓝鲸，它们有着带绒毛的颚或鲸须，使它们能从海水中过滤出大量的虾、浮游类和小鱼。
鲸鱼的祖先是一个多年来争论的问题。虽然，我们知道鲸鱼是从陆地的四足哺乳动物进化而来的，但是，我们并不知道是哪种动物进化成了鲸鱼，也无法明白为什么这种动物要放弃陆地而重返海洋。根据牙齿的惊人相似性，一些古生物学家认为，鲸鱼是一种像狼的哺乳动物进化来的。另一方面，科学家利用DNA分析，认为鲸鱼是从一组动物进化而来的，这些动物包括河马、骆驼和猪。最近，在巴基斯坦发现了大约5000万年前的鲸鱼骨骼化石，但这一发现并没有解决进化上的争论，反而加深了谜团，因为这些化石并不支持上述任何一种理论，这个谜至今尚未揭开。