地质
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旧石器时代跨越了上新世和更新世两个地质时代，这两个地质时代均经历了影响人类社会发展的重大地质和气候变化。
上新世期间，大陆漂移不断进行，从距当今位置250千米处移动到距当今位置70千米处，南美洲通过巴拿马地峡与北美洲相连，使南美洲原有的有袋类动物几乎完全灭绝。巴拿马地峡的形成对全球气候有着重大影响，温暖的赤道洋流就此被切断，来自极地的寒冷洋流进一步降低了被封闭的大西洋的温度。中美洲在上新世完全形成，使得南、北美洲原有的动物能够离开原来的栖息地向新的地区迁移。[11]欧亚大陆和非洲大陆的板块碰撞创造了地中海，封闭了残余的特提斯洋。在更新世，各现代大陆基本上已经移动到其目前所在位置，这些大陆所在的板块在这一段时期可能移动了多达100公里的距离。[12]
气候
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上新世时代的气候较冻土层鹅卵石出现。[13]中纬度地区的冰川可能于上新世的末期开始形成。上新世时期的全球变冷可能导致了森林的消失和草原、稀树草原的扩大。[11]
更新世时期的气候特点是反复出现的冰川周期，在某些地方，大陆冰川一直推进到中纬度地区（40度纬度）。四个主要的冰期活动和大量相关小事件已经确定，其中一个主要活动是普遍出现的冰川涨落，称为冰期，冰期被间冰期分隔。在每一个冰期内，冰川都会有少许进退，这种少量的进退称为“小冰期”，两个小冰期之间的时段称为“小间冰期”。每一冰川在其1500-3000米厚的冰盖中都封存了体积巨大的水，暂时性地造成全球海平面下降100米。在间冰期，如目前，海岸线被淹没是经常发生的事情。
冰川的影响是全球性的。整个上新世和更新世，南极洲都被冰层覆盖，安第斯山脉南部为巴塔哥尼亚冰盖覆盖，在新西兰和塔斯马尼亚到也有冰川分布，非洲中东部肯尼亚山、乞力马扎罗山和鲁文佐利山脉残余的冰川则更加巨大，在阿特拉斯山脉中也有冰川存在。在北半球，许多冰川融为一体。柯迪勒拉冰蓋（英语：Cordilleran ice sheet）覆盖了北美西北部地区，勞倫臺德冰蓋（英语：Laurentide ice sheet）覆盖了东部，芬兰-斯堪的纳维亚冰盖覆盖北欧，包括英国，阿尔卑斯冰盖覆盖了阿尔卑斯山，散布的圆顶冰盖遍及西伯利亚和北极大陆架，更北的海域常年冻结。旧石器时代晚期（更新世晚期，约1.8万年前）地处亚洲和北美间的白令陆桥为冰层阻断[12]，这可能阻断了早期古印第安人（如克洛维斯文化）直接越过白令陆桥到达北美。
根据马克·莱纳斯整理的数据，更新世的整体环境可以描述为:持续的厄尔尼诺现象，南太平洋信风削弱乃至风向转东，热空气在秘鲁附近上升，暖流自西太平洋和印度洋向东太平洋扩散，和其他类厄尔尼诺现象[14]。
冰河时期随着旧石器时代（更新世末期）的结束而结束，地球气候变暖。这可能导致或促成了更新世巨型動物群的灭绝。[15]科学家认为，更新世末期到全新世期间的全球气候变暖可能使人类能更容易的到达之前因封冻而无法到达的新栖息地。[16]