第四纪是地球发展历史的最新阶段，也是现代自然地理环境的最终形成阶段。由于定年方法和研究区域的不同，第四纪的划分存在很多争议，通常将第四纪的底界划分在距今260万～240万年，全国地层委员会（2002）以260万年为第四纪的底界。正是在这一时期，人类出现并演变进化为现代人。

第四纪全球气候以周期性的寒冷冰期和相对温暖的间冰期两种基本状态交替转换为特征。深海氧同位素、全球海平面变化、极地冰心、陆上的黄土古土壤等多种记录均证实这一特征。海洋有孔虫的氧同位素比率（δ18O）记录主要反映全球冰量随全球气候变化而发生的变化，δ18O迅速增加的时期也就是冰量迅速增加的寒冷时期。根据海洋微体古生物的氧同位素分析结果，自距今180万年以来可以分辨出61个冷暖阶段，构成30.5个冷暖旋回，其中奇数阶段对应温暖的间冰期，偶数阶段对应寒冷的冰期。黄土古土壤序列是唯一已知的能与深海氧同位素记录对比的陆上沉积，中国宝鸡的黄土剖面厚约160米，于260万年前后开始堆积，由37个土壤地层单位组成，每个土壤地层单位包括一个黄土层和一个古土壤层或古土壤复合层，黄土层代表了气候冷干及粉尘堆积速率大的时期；古土壤则表明当时气候较为暖湿，粉尘堆积速率小。

地球轨道参数变化（米兰科维奇周期）可能是第四纪环境周期性变化的驱动力。在深海氧同位素序列和中国黄土古土壤序列中均分别检测出地球轨道参数变化的几个特征周期，即40万年、10万年的偏心率周期，4.1万年的地轴倾斜率周期，以及2.3万年和1.9万年的岁差周期，表明第四纪冷暖波动周期与地球轨道参数周期（米兰科维奇周期）相一致。但冰期-间冰期环境变化的幅度远大于地球轨道参数变化所引起的太阳辐射改变，同时冰期与间冰期转换过程存在着不对称性，说明地球系统内部的反馈机制在第四纪冰期-间冰期旋回变化过程中起重要的作用，这些过程和反馈主要通过改变地球系统能量收支平衡和地表能量的再分配两种途径对全球变化产生影响。

在不同阶段，主导周期有明显的差别，距今250万～160万年期间，10万年的周期很明显，40万年的周期也很突出，其他周期成分的比例则很低；距今160万～90万年，波动幅度较小，冷暖环境变化以4.1万年的周期最为显著，与黄赤交角的变化周期相对应，岁差和偏心率的几个周期成分不显著；距今90万年以来，不仅波动幅度增大，而且变化频率降低，10万年周期取代4.1万年周期成为主要周期，这一变化周期与地球偏心率的变化周期相一致，之上叠加着4.1万年及2.3万年的周期（接近地球岁差变化周期）。

距今90万年以来，在以10万年为主要周期的冰期-间冰期旋中，冰期与间冰期之间的转换是不对称的，从间冰期向冰期的过程是缓慢的、阶段性的，缓慢的变冷过程可能会持续7万～9万年，其间会发生数次轻微回暖的阶段；从冰期向间冰期的变化是迅速的，温暖的间冰期模态相对较短，约占20%（1万～3万年）。大气温室气体二氧化碳体积分数以大约10万年的周期波动于0.019～0.029，相应地全球环境在冰期和间冰期两种气候模态间变化。冰期时，温室气体二氧化碳和甲烷的含量减少，粉尘浓度增大，与气候变化存在正反馈关系，冰期最盛期的二氧化碳的体积分数只有0.019～0.020，粉尘浓度是冰后期的70倍，均显示强化变冷过程的特征；间冰期时，温室气体含量增加，粉尘减少，强化变暖过程。

末次盛冰期（Last Glacial Maximum; LGM）是距今最近的一个与现代间冰期气候环境反差最大的极寒冷时期，相当于末次冰期中深海氧同位素第二阶段中气候最冷、冰川规模最大的时段，一般以距今2.1万年（相当于碳14年代距今1.8万年）前后的气候状态为代表。

尽管到末次冰期最盛期结束时地球轨道参数的特点与现代相近，1月和7月太阳辐射的季节和纬度分布与现代相差不到1%，但末次冰期最盛期时巨大的冰盖、广阔的海冰、寒冷的海面、大幅度海面下降导致的浅海出露等地表边界条件，使得全球环流格局和气候都具有重大不同。高纬度以温度变化为主，同时伴随着大气环流和水分平衡的重大调整；低纬度地区以水分变化为主。

寒冷是冰期气候的突出特征，末次冰期最盛期时全球近地面平均气温比现代低4～5℃，北半球大冰盖上的气温低12～14℃，热带地区可能低3℃，大陆降温幅度大于海洋，山地大于低地，冬季大于夏季。末次冰期最盛期陆地降温的幅度比海洋大得多，估计是海洋的1.5～2倍。北半球中高纬度陆地温度一般较现代低10～15℃，最大达20℃以上；热带低地和岛屿地区降温通常在5℃以下，南极温度比现代低10～12℃；南北半球的山地雪线均比现代下降了约1000米，下降的幅度在不同纬度上的差异很小，因此在低纬度地区，山地降温的幅度明显大于低地，差值可达2～4℃。

冰盖大规模扩展和海面下降是冰期最盛期全球环境的重要特征之一，低海平面时期与冰盖的最大范围在距今2.65万～1.90万年达到极值。当时全球陆地的1/3被冰覆盖，冰盖面积超过4000万平方千米；冰盖的厚度达2～3千米，最大厚度可达4千米，冰盖体积为9000万立方千米，是现代的3倍。在北美北部为一巨大冰盖，其主体劳伦泰德冰盖向南推进到五大湖区；在欧洲，冰川覆盖了整个斯堪的纳维亚半岛，大不列颠北部和俄罗斯乌拉尔山脉也被冰覆盖。同时，南极和北极地区的海冰也发生大规模的扩展，北大西洋的冬季海冰可一直扩展到法国沿岸。由于大量的水形成陆冰，盛冰期时全球海平面下降了90～120米，大陆外围的大陆架广泛出露，许多现代为海峡所分隔的地区都随着陆架出露而连接在一起。

冰期最盛期陆地极端干旱，除个别地区外（如美国西南部），全球绝大部分地区降水显著减少，森林覆被大规模丧失，荒漠、草原和苔原植被以及沙漠显著扩张，粉尘沉积比现代高一个数量级，黄土堆积广泛。