В эпоху плиоцена (5,3 — 2,5 миллионов лет назад) климат стал более холодным и сухим, так же появилась выраженная сезонность, сходная с современным климатом. Средняя глобальная температура в середине плиоцена, между 3,3 — 3 млн лет назад была на 1-3 °C выше чем в настоящее время. Уровень моря на планете был в целом выше на 25 метров, что говорит о меньшем количестве ледников, которые запасая в себе воду, вызывают понижение уровня мирового океана. Ледяной покров Арктического региона был нестабильным и небольшим по объёму вплоть до начала обширного оледенения Гренландии, которое стартовало в конце плиоцена, 3 млн лет назад. О формировании ледяной шапки в Арктике говорит соотношение изотопов кислорода, оно пережило резкий сдвиг. Глобальное похолодание в плиоцене спровоцировало сокращение площади лесов и распространение лугов и саванн.[1][2][3][4][5]
В течение плиоцена на Земле сменился цикл климатических колебаний. До плиоцена существовал цикл в 41 000 лет, период наклона земной оси. В плиоцене установился цикл в 100 000 лет, это период орбитального цикла планеты — эксцентриситета. Он совпадает с циклами ледниковых периодов и тёплых межледниковий. Разница в температурах поверхности воды в разных частях Тихого океана была значительно ниже, чем сегодня. Тихий океан и на Востоке и на Западе был теплее чем сегодня, это состояние описано как постоянное состояние Эль-Ниньо и объясняется высокой активностью тропических циклонов[6][7][8].
От 3,6 до 2,2 млн лет назад Арктика была намного теплее чем сегодня, с летними температурами на 8 °C выше, чем в современный период. Выяснены данные факты по озёрно-осадочному керну, добытому посредством бурения в Восточной Сибири.[9]
Причиной столь резкого похолодания могло быть перекрытие Панамского естественного канала 13-2,5 млн лет назад. Это увеличило контраст солёности воды между Тихим и Атлантическим океанами и изменило перенос тепла в Ледовитый океан. Увеличение числа тёплой воды, оставшейся в Атлантическом океане, спровоцировало снегопады в Гренландии и нарастание ледяного покрова. Но данная теория не объясняет, почему Гренландия замёрзла тогда вся. По моделированию течений видно, что прибрежные части Гренландии должны были быть тёплыми, без снегов.[10][11]
Скалистые горы и западное побережье Гренландии - это относительно молодые горные цепи, и подниматься активно они начали именно в тот период. Это могло вызвать смещение тёплых воздушных течений и выпадение в предгорьях большего количества осадков в виде снега.[11]
Свою роль сыграло снижение уровня углекислого газа в атмосфере. В среднем плиоцене его концентрация оценивается в 400 ppmv в органическом морском веществе и в окаменелых листьях. Снижение уровня углекислоты в значительной мере способствовало глобальному похолоданию и началу ледникового периода в Северном полушарии.