El Pleistoceno es una época del período Neógeno más largo. Se extiende desde hace 1,808,000 a 11,550 años, cuando la Tierra se calentó desde su glaciación más reciente. En términos de progreso humano, el final de esta época es también el límite entre la Edad de Piedra Vieja (Paleolítico) y la Edad de Piedra Media (Mesolítico). Fue entonces cuando surgieron los humanos modernos y básicamente se apoderaron del planeta.
Como el resto del Neógeno, el Pleistoceno fue una época relativamente fría. El mundo experimentó un ciclo de glaciaciones, con altibajos como el clima actual y mínimos donde gran parte del Canadá, Europa y Asia de hoy en día se encontraban bajo miles de pies de hielo. La época presentaba mucha fauna de mamíferos grandes, como mastodontes, mamuts, osos de las cavernas y muchos otros. Estos se llaman megafauna, y se cree que los humanos extinguieron a la mayoría de ellos cuando se extendieron por todo el mundo hace 100,000 a 30,000 años. La disminución de los fósiles de animales grandes se sincroniza muy bien con los patrones de migración humana. La mayoría de los esfuerzos por culpar de la extinción a otras causas, como la «hiperenfermedad», han sido relativamente inútiles.
Durante los principales períodos de glaciación, los glaciares tenían un espesor de 0.9 a 1.8 millas (1.5 a 3 km), similar a la Antártida actual. Esto retuvo enormes cantidades de agua, lo que provocó caídas temporales del nivel del mar de 328 pies (100 m). La caída del nivel del mar abrió algunas extensiones de tierra actualmente bajo el agua, como el Mar del Norte (llamado Doggerland), el Estrecho de Bering (Beringia) y el área alrededor de Indonesia (Sundaland). Todas estas regiones fueron finalmente habitadas por humanos y ayudaron a hacer posible que los pueblos antiguos colonizaran Australia desde Asia.
Durante el Pleistoceno, las latitudes más altas tenían más y más lagos debido a la escorrentía glacial y la disminución de la evaporación por las bajas temperaturas. El lago Agassiz, un lago prehistórico en el Canadá actual, era más grande que cualquier lago contemporáneo, incluido el Mar Caspio. Cuando terminó la glaciación, es posible que se haya drenado en la Bahía de Hudson en tan solo un año, aumentando los niveles del mar en todo el mundo hasta en 3.2 pies (1 metro). Este es uno de los muchos eventos citados como posible inspiración para las historias bíblicas de inundaciones.