白垩纪最显著的特征之一是当盘古大陆开始分裂时，地球上的陆地陆续分离。这些地质变化对这一时期生命的发展和进化产生了深远的影响，了解地质背景是理解其他一切的必要条件。
在三叠纪开始时，地球上几乎所有的陆地表面都聚集在一个超级大陆盘古大陆中。地球的其余部分被特提斯海占据，特提斯海被泛大陆和周围的潘塔拉西洋所孕育。
三叠纪大陆
没有人确切知道盘古大陆何时开始分裂。估计范围从三叠纪到侏罗纪中期。不仅如此，地质学家还不确定是什么原因导致了目前七大洲的分裂。科学家们普遍认为，这与地幔中的洋流移动地表构造板块有关，但没有人知道洋流为什么改变了方向，也没有人知道为什么在它们改变的地方形成了新的裂谷。
很显然，在整个白垩纪大陆继续分裂，这是数千万年前开始的一个过程的一部分，但关于盘古大陆发生了什么，还有其他理论。一个是大的流星撞击开始分解成更小的陆地。这当然可以解释白垩纪发生的一些突然而剧烈的变化。这可能解释了二叠纪-三叠纪灭绝事件期间海洋的极端高温。这也可以解释西伯利亚数千年来的火山爆发和岩浆渗出。这也可以解释为什么泛古陆断裂，正如我们所知，火星的高地被一个三千公里长的峡谷断裂，与亚利桑那州的大峡谷相比，这个峡谷相形见绌。
白垩纪末期大陆格局
这也可以解释为什么没有这种流星撞击坑的表面证据，因为太平洋最古老的海底只有1.7亿至1.8亿年的历史，起源于侏罗纪中期，早在二叠纪-三叠纪灭绝事件之后。如果海底有任何流星撞击的证据，那它已经被东亚上覆板块下滑动的旧板块冲走了。
由于泛古陆是一块巨大的陆地，其内部一直非常干燥。潮湿的风被他们的内陆之旅拧干了，雨水落在了靠近海岸的山脉上。泛古陆的中心变成了一片很少下雨的沙漠。随着大陆的分裂，这种情况开始发生变化。到白垩纪，前泛古陆内陆的大片地区已经变成了茂密的森林。
在泛古陆解体之前，恐龙和其他三叠纪生物可以从泛古陆的一边迁徙到另一边。然而，到三叠纪末期，这片巨大的大陆开始分裂，形成了北部大陆（包括今天的欧亚大陆和北美）劳拉西亚和南部大陆（包括现在的南美洲、非洲、印度、南极洲和澳大利亚）冈瓦纳大陆。
泛古陆随时间变化
当地球由一个超级大陆组成时，生命在很大程度上是同质的。一旦开始分裂成更小的大陆，那么生活在一个大陆上的陆地物种就没有能力迁移到另一个大陆。这开始了一种分离，导致新生命形式的发展更加多样化。
在整个白垩纪时期，大西洋继续增长，南美洲开始与南极洲分离，并向北向北美移动。非洲和印度都向北向欧亚大陆移动，澳大利亚开始与南极洲分离。
白垩纪又分为两个时代；早白垩世（1.45亿至1亿年前）和晚白垩世（1亿至6600万年前）。这两个时期的地质活动截然不同，值得详细研究这两个时代。
早白垩世进一步划分为六个地质时代：
贝里阿斯阶（1.45亿至1.398亿年前）
瓦朗今阶（1.398亿-13.29亿年前）
欧特里阶（1.329亿-1.294亿年前）
巴雷姆阶（1.294亿至1.25亿年前）
阿普特阶（1.25亿至1.13亿年前）
阿尔布阶（1.13亿至1.005亿年前）
白垩纪地层年代表
科学家们使用特定的事件来定义年龄、时代和时期之间的界限。例如，贝里阿斯阶的开始是由菊石物种Berriasella jacobiwi的首次出现来定义的，而巴雷姆阶年龄的开始则是由鹦鹉螺Spitidicus hugia和Spitidicus-vandeckii的首次出现所定义的。
然而，这些分期并不总是明确或普遍认同的。
例如，巴雷姆阶和阿普特阶之间的时间界限是一个有争议的问题，估计从1.17亿年前到1.26亿年前相差900万年。截至2019年，最新数据显示日期为1.21亿至1.22亿年前（2023年国际地层年表显示二者之间时间分界是1.22亿年）。
确定这一特定边界的日期很重要，因为它与白垩纪最著名的地质事件之一相吻合。海洋缺氧事件（OAE）是指大部分深海缺氧，硫化氢（H2S）含量增加的时候。这些事件通常与大规模灭绝和地球生命的重大变化有关。
对岩石样本的分析，特别是使用碳同位素对挪威斯瓦尔巴群岛钻孔样本的检查，表明大约1.21亿至1.22亿年前，在巴雷姆纪和阿普第纪之间的边界上存在一个主要的OAE。
一些地质学家还认为，OAE与同一时期的一些火山地质事件之间可能存在直接联系。这些火山事件被称为“大型火成岩省”（LIP）。
地球历史上最大的LIP，Ontong Java Manihiki Hikurangi LIP（OJMH），发生在大约1.2亿年前阿普第阶时期的南太平洋海底。这个海底LIP延伸到186万平方公里的薄洋壳上。
1.2亿年前的日期也与印度洋另一对LIP的开始有关；凯尔盖朗高原断脊，总面积约230万平方公里。虽然合并后比OJMH更大，但单独来看，这些事件的范围都要小一些。在中国，在1.31亿至1.17亿年前的1400万年间，辽东半岛又形成了一个LIP。科学家认为这是库拉板块（晚中生代位于太平洋西北部的一个古大洋板块）和太平洋板块俯冲的结果。
早些时候，当冈瓦纳大陆的裂解为我们带来了初出茅庐的南大西洋时，巴拉那-埃滕德拉火山LIP持续了100万年，从大约1.33亿年前开始，每年产生多达150万立方公里的流纹岩和玄武岩。OAE和许多LIP的结合在地球表面产生了深刻的变化，直接影响了物种的发展和延续。
在白垩纪早期，中大西洋继续扩张。新生的中大西洋海脊向北延伸，将纽芬兰河岸与伊比利亚半岛分开，最终到达北冰洋的外部边界。随着拉布拉多海的开放，今天的格陵兰岛与劳伦蒂亚岛分离，形成了两个独立的构造板块；北美和格陵兰岛。最近形成的加勒比海变得更大了。
伴随着南美洲和非洲分裂的巴拉那-伊滕德卡LIP也开始将非洲分为三个不同的区块。大约1.2亿年前，马达加斯加作为一个独立的板块停止了移动。早些时候，大约1.32亿年前，南大西洋的福克兰高原脱离了非洲板块的南部。
虽然所有大陆仍然彼此靠近，距离它们在泛古陆的原始位置不远，但地球的其余部分仍然几乎完全被泛古陆海洋覆盖。在深邃黑暗的海水下，太平洋板块继续扩张。
曾经泛古陆的分裂仍在继续，今天的印度、澳大利亚和南极洲之间形成了新的裂缝。
在早白垩世的大部分时间里，凯尔盖朗大型火成岩省稳步地将印度向北推，与欧亚板块碰撞，这将有一天导致喜马拉雅山脉从会聚大陆物质的地壳褶皱中形成。
大约1.1亿年前，早白垩世末期，中大西洋海脊完成了从北冰洋到南极洲的分离，现在形成了整个大西洋。
晚白垩世（上）-1.005亿至6600万年前
晚白垩世也进一步分为六个地质时代：
塞诺曼阶（1.005亿至9390万年前）
土伦阶（9390万至8980万年前）
康尼亚克阶（8980-8630万年前）
圣通阶（8630万至8360万年前）
坎潘阶（8360-7210万年前）
马斯特里赫特阶（7210-6600万年前）
在晚白垩世，从大约1.005亿年前到6600万年前，地质活动远没有早白垩世那么剧烈，尽管板块构造继续导致新形成的大陆进一步分散。美洲逐渐向西移动，南美洲在与北美洲碰撞的过程中向北移动，在数千万年的分离后最终将形成巴拿马连接起来。向西移动的美洲导致相对较新的大西洋扩张，随着地球磁极波动和反转，留下了其在新的海底地壳磁场中生长的证据。
在这个时代，北美被西部内陆海道分割。这是由于气温上升导致海平面大幅上升，从而形成的浅海。科学家们将该大陆的东半部称为阿巴拉契亚，西半部称为拉腊米迪亚。
在整个白垩纪晚期及以后，印度继续向北撞向欧亚大陆。
南极洲和澳大利亚的运动似乎要慢得多，澳大利亚和南极洲之间的分裂可能比其他构造分裂发生得晚得多。但最南端的两个大陆确实远离了南美洲和非洲。
我们今天所知道的欧洲当时是一系列岛屿，其中一些岛屿上生活着体型较小的恐龙。这是一种常见的生物现象，通常较大的物种会因为岛屿的限制而变小。
白垩纪初期，只有一个超级大陆和一个海洋。但这是一个巨大的地质变化和动荡的时期，到八千万年后的末期，世界地图将包含人们普遍熟悉的大陆，尽管许多大陆不在它们今天所处的位置，有些大陆，如欧洲，只占据了它们目前陆地面积的一小部分。
白垩纪的地质特征是不同类型岩石的形成。白垩岩广泛分布在晚白垩世的深海盆地中。类似的岩石类型，Urgonian石灰岩，在白垩纪早期形成，可以在今天的墨西哥、西班牙、法国、瑞士、保加利亚、墨西哥、中亚和北非找到。这一时期广泛的火山活动也形成了玄武岩矿床。中太平洋和西太平洋的巨大平顶海山被发现含有白垩纪化石。印度中西部的德干地陷由1200多米深的熔岩流组成，这些熔岩流起源于晚白垩世的火山爆发。
今天地球表面可见的许多重要特征是在白垩纪地壳运动和火山活动期间形成的。例如，美国今天的犹他州和爱达荷州的山脉是在白垩纪早期形成的，美国的落基山脉和墨西哥的马德雷山脉是在晚白垩世形成的。
数百万年前，地球上的气候截然不同，在白垩纪期间发生了显著变化。这些气候变化很重要，因为它们与白垩纪动植物群的发展直接相关。
我们对这一时期气候的了解大多来自对气候敏感沉积物和化石分布的研究。当白垩纪的历史首次被研究时，人们认为当时的气候与地球上目前的气候没有显著差异。然而，最近更详细的研究表明情况并非如此。
在20世纪80年代和90年代，莫斯科苏联科学院地质研究所的Nicolai M.Chumakov作为暖地球项目的一部分，对白垩纪的化石遗骸进行了详细的研究。这些研究的结果于1995年和2004年发表，作为白垩纪时期的一系列六幅世界地图，显示了晚白垩世六个阶的不同气候带。这些地图提供了白垩纪特定时间点的气候快照，从中可以重建气候历史及其在这一时期的变化。
对化石的研究表明，在侏罗纪末期和白垩纪初期，有一段几十万年的时间，全球气温降至接近目前的水平，北极地区形成了冰。这种冷却可能与二叠纪末期的大规模灭绝有关。
其中一部分的主要冷却期总共持续了大约1500万到2000万年。然后，在白垩纪开始后的1000万到1500万年，气温已经恢复到侏罗纪时期的水平，地球上几乎没有永久性的冰。
白垩纪的大部分时间都在升温到白垩纪热极盛期，即白垩纪“温室”，比今天高出10°C，600万年来二氧化碳水平约为4000ppm（而目前的平均二氧化碳水平为400ppm。
在这一时期的大部分时间里，极地缺乏冰是决定白垩纪气候的重要因素。赤道和两极之间温度梯度的减小阻碍了当前气候特征的中高纬度风系统的形成。这些风系统的缺乏反过来又影响了风驱动的海洋环流，这也是当今气候的一个因素。
今天，我们有洋流将热量从赤道地区输送到高纬度地区。这种洋流是当前气候的一个重要因素；例如，墨西哥湾流将热量从加勒比海输送到欧洲海岸，这就是为什么尽管欧洲大部分地区位于相对较高的纬度，但冬季温和的原因。白垩纪没有这样的洋流，直到大陆的结构开始类似于目前的情况，这些洋流才开始发展。
白垩纪海洋的化学成分也非常不同，这也对气候产生了直接影响。对海洋沉积物的几项研究表明，已经描述的缺氧事件导致全球大气二氧化碳浓度急剧增加、水缺氧（氧气耗尽）和海洋表层水中高浓度硫化氢的存在。
海洋中缺乏循环增加了大气中二氧化碳的含量，由于水中氧气的消耗，腐烂的有机物得以保存，导致海洋盆地形成了独特的、深色的、富含有机物和碳的沉积物。这些被称为白垩纪黑页岩的独特沉积物将在数百万年后形成我们目前使用的煤、石油和天然气。
总的来说，白垩纪的气候是地球历史上最温暖的。整个期间的平均海洋温度被认为达到了35˚C。一些科学家将白垩纪的气候称为“超级温室”。然而，最近的研究表明，在这种温暖中，可能有一段数百万年的冷却期，这被称为“白垩纪寒流” 。
对2011年至2014年间从北极获得的岩石样本的深入研究表明，从大约1.12亿年前到1.18亿年前，地球经历了一段重要的冷却期。这种情况发生的机制尚不清楚，但大陆的运动似乎创造了新的暂时洋流。这些导致海洋活动增加，海洋沉积物吸收了更高水平的二氧化碳。这反过来又导致大气二氧化碳水平下降，全球气温暂时下降。
然而，在白垩纪的大部分时间里，地球比现在要温暖得多，也更潮湿。一项化石证据研究表明，热带和亚热带条件存在于北纬45°，尽管极夜漫长，但温带条件甚至延伸到两极。在该时期开始时，温度平均略低，在白垩纪中期达到最高点（在白垩纪寒流中突然冷却），然后在坎帕尼亚期和马斯特里赫特期逐渐下降。然而，尽管晚白垩世的最后两个时代是所有时代中最冷的，但它们的平均温度仍然比今天高得多。
更高的温度也意味着极地通常缺乏冰，再加上中洋脊的形成和扩大所造成的水流失，海平面比现在高得多。据信，在早白垩世，海平面可能平均比现在高出200米，在晚白垩世，这可能增加到250米。这些高海平面不仅形成了主要海洋，而且在当今地区，包括南美洲、北美、欧洲、俄罗斯、非洲和澳大利亚，也形成了大量浅层、温暖的内海。海平面上升也意味着陆地面积变小。在白垩纪的大部分时间里，陆地仅占地球表面的18%，而今天为28%。
同样明显的是，在此期间发生了改变气候的重大事件。白垩纪寒流可能是由于大陆的运动导致了新洋流的形成。高大气CO2水平至少部分是由早白垩世大规模和戏剧性的大型火成岩省期间非常活跃的火山活动造成的。这些事件不仅导致了全球气温的波动，还导致了海平面的急剧上升和下降。
尽管（或可能部分原因）温度和海平面发生了这些变化，但白垩纪被证明是陆地和海洋上发展出丰富的动植物新物种的时期。
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