由于地球地质历史现有记录中出现的一次最快、强度最大的全球变暖事件，被称为古新世-始新世极热事件（PETM或IETM）的发生，地球温度迅速升高，始新世就此开始。这次迅速而剧烈的升温（在高纬度地区温度上升了7°C之多）持续的时间少于10万年，但是导致了大量物种急剧灭绝，从而形成了古新世和始新世生态系统的分野。
始新世的全球气候可能是新生代中变化幅度最小的；从赤道到极地的气温变化幅度只有今天的一半，而深海洋流则异常温暖。极地地区比当今温暖得多，接近于现今西北太平洋的温度；温带森林已经扩展到了极地地区，同时多雨的热带气候区则延伸至北纬45°地区。温带地区的气候与当今相比大有不同，而热带地区的气候则可能接近于当今。不过在哥伦比亚发现的一种可能生活于始新世的巨蛇残骸（约有校车大小）表明，可能相反的，当时的热带比现今温暖的多，这也与计算机模拟出的始新世气候相符 。
尽管始新世的全球气候仍然比较温暖，但也正是在始新世后期，开始了全球变冷的缓慢趋势，这可能是由发生于北冰洋的绿萍事件以及在冈瓦纳古陆最终破碎之后形成的南极洲环流共同造成的。这种变冷趋势最终导致了更新世冰期的出现。
