新生代的自然环境是在前新生代自然环境的基础上演化来的。经过第三和第四纪的环境变迁，吉林省的山川大势、气候特征和生物群落更加接近于现代自然环境。
第三纪（距今0．65～0．0248亿年前）吉林省继承了中生代的构造格局。随着太平洋板块活动方式的变化，边缘大陆裂谷作用出现。在松辽平原、伊通—舒兰、敦化—辉发河地堑等地，继续发生断裂下陷，沿断裂带出现了近北东向平行分布的裂隙—中心式火山活动带。在断陷盆地的内部为河流、湖泊、沼泽环境。
早第三纪（0．65～0．246亿年前）吉林省的地壳运动处于相对稳定时期，东部山区以隆起上升为主，地面遭受风化剥蚀。在松辽平原与东部山地交界的长春南郊大屯附近，古新世有富峰山玄武岩的喷发活动，在辉南的龙湾一带，有渐新世火山活动。在伊通—舒兰地堑北部的平安、水曲柳、舒兰及缸窑、乌拉街一带，为河流、湖泊、沼泽环境，有砂页岩、泥岩含褐煤的沉积。气候条件温和湿润，植被以落叶的乔、灌木为主，被子植物为赤杨、桤木、桦；裸子植物为松、中华红杉、冷杉、云杉、柏；蕨类植物为水龙骨等。此外，还有少量亚热带常见的紫树、漆树、木兰与枫香树等。
在珲春盆地的凉水、春化、清茶馆、开山屯等地，为河流、湖泊、沼泽环境，有砾岩、砂岩、页岩、凝灰质页岩、凝灰质粉砂岩及煤的沉积。植被与舒兰一带相似，有赤杨、桤木、山毛榉、栎、杨、拔葜叶似昆兰树、中华红杉、欧洲水松和寒带枝脉蕨等。
在桦甸盆地的公郎头、庙岭、北台子、西台子和柳河盆地的长脉、福利、中腰堡、东夏等地，为湖泊、沼泽环境。湖水中生存着瓣腮类裸珠蚌及腕足类、介形虫和鱼类等生物。湖沼周围有山毛榉、蔷薇、栎、水杉和中华红杉等植物生存。
在西部的松辽平原区，早第三纪地壳隆起上升，处于风化剥蚀阶段。
晚第三纪（距今0．246～0．0248亿年前）吉林省东部山区继续隆起上升，伴随着大规模的火山喷发活动。在伊通—舒兰地堑、敦化—辉发河地堑继续发生断裂下陷。中新世，在伊通—舒兰地堑的南部，有伊通火山群的喷发活动。
在长白县的马鞍山、西大坡、七道沟、十七道沟及和龙县的甑峰山、长虹岭及抚松县的黄泥河子等地，为小型山间盆地湖泊沼泽环境，湖泊中生活着以小环藻和硅链藻为主的大量硅藻。周围山地生长着中新桦木、斜叶椴、密脉鹅耳枥、亚具色槭、翁格尔榉等乔木树种。在长白山南坡和鸭绿江上游有玄武岩的喷发活动，形成长白山玄武岩熔岩高原。在长白山北坡的图们江上游，有甑峰山、长虹岭火山的玄武岩喷发活动。
在珲春盆地、汪清盆地、敦化盆地和蛟河盆地，为小型山间盆地湖泊沼泽环境。湖泊中硅藻类繁盛。在蛟河盆地，生长着山毛榉、槭、栎、臭椿、大苞鹅耳枥、椴等被子植物和红杉、松柏、相似松等裸子植物。
在松辽平原的东部地区，地壳隆起上升，遭受风化剥蚀。在松辽平原的中、西部地区，地壳沉降，为内陆平原河流、湖泊环境。沉降轴线在现今嫩江河道以西，沉降中心在扶余一带。古松花江与现代松花江的流向相反，古嫩江与古松花江均注入古大安洼地，古西辽河与古霍林河均注入古大布苏洼地。松辽平原为温暖湿润的北亚热带气候，湖水中介形虫繁盛。森林植被中，针叶树以松、铁杉为代表，并有罗汉松、落羽杉等；阔叶树以榆和山核桃为主，并有枫香、无患子、桑寄生和山龙眼等少量喜热树种。林下有柳叶菜、豆科、忍冬科和麻黄等。
上新世，吉林省东部山区继续隆起上升，遭受风化剥蚀。同时，断裂活动进一步发育，沿断裂有玄武岩的喷溢活动。在鸭绿江上游有望天鹅火山喷发，形成望天鹅火山锥，在长白山北坡的图们江上游，有奶头山玄武岩、平顶村玄武岩和四方顶子玄武岩的喷发活动。在伊通—舒兰地堑的北部，有缸窑火山群的喷发活动。
在松辽平原地区为内陆平原河流、湖泊环境。上新世的湖泊范围扩大，地壳的沉降轴线在现今的嫩江河道以东，沉降中心在通榆一带。古嫩江南流，古西辽河东流，它们均注入古长岭湖。气候条件由中新世的温暖湿润，向偏凉偏干的方向转化。湖水中生存着苏氏小玻璃介、独特真星介、治真星介、风雅土星介、辽河女星介等介形虫。在湖泊的四周生长着喜湿的落叶阔叶林，阔叶树有桦、赤杨、栎、榆、榛、胡桃等，林下的草本植物为蓼科、藜科、蒿属和麻黄等。
上新世末期，松辽平原逐渐被大陆性气候控制，季节的变化较为明显，冬季干凉，夏季多雨。植被逐渐演替为草原型植被。
第四纪（距今248万年前至今）吉林省的自然环境发生了明显的变化。东部山区地壳继续隆起上升，遭受风化剥蚀。断裂活动继续发育，沿断裂火山活动更加频繁，在长白山区、龙岗山脉、伊通—舒兰地堑、敦化—辉发河地堑和第二松花江沿岸，均有大规模的火山喷发活动。在伊通—舒兰地堑、敦化—辉发河地堑和吉林、蛟河、敦化、延吉、珲春、双阳、桦甸、和龙等一系列山间盆地，地壳沉降，以河流相沉积为主，松辽平原地壳以沉降运动为主，为河流。湖泊环境。第四纪晚期风沙活动明显。
在长白山的北侧和西北侧、图们江的上游和松花江的上游，有军舰山玄武岩的喷发活动，以裂隙式的溢流为主。在断裂的交汇部位，有由中心式喷发形成的火山锥。军舰山玄武岩多形成为广阔的平缓波状的玄武岩熔岩台地。在龙岗山脉的中段，有小椅山玄武岩的喷发，在敦化—辉发河地堑北部的官地以北、辉南县的蛟河下游和海龙县的山城镇以南，均有玄武岩的裂隙式喷发。在伊通—舒兰地堑的北部，缸窑火山继续活动。
早更新世，松辽平原地势低平，在长岭一带为古长岭湖。当时湖盆已有相当规模，古东辽河、古西辽河、古洮儿河、古嫩江和古第二松花江等，均注入古长岭湖，呈向心状水系。松辽平原的东部，处于振荡性的隆起上升阶段。松辽平原的西部，为冲洪积平原，沉积物多为灰白色的砂砾层。由于气候寒冷，蒿、菊、藜、禾本科、莎草科等喜冷耐旱的草本植物繁盛，阔叶树稀少，早更新世初期为以桦为主的桦林草原景观。早更新世后期为由少量阔叶树参加的疏林草原景观。草原中生活着三门马等。气候条件由冷干逐渐向温和半湿润的方向发展。
早更新世末期至中更新世初期，松花江切穿了三姓以东的分水岭，由原来向西南流，改向东北流。同时，双城堡、伏龙泉至王府一带隆起上升，形成了现海拔在250米以上的高台地。
吉林省东部山区继续隆起上升。长白山区有白头山碱性粗面岩的喷发活动，形成兀立于玄武岩熔岩高原之上的长白山火山锥体和火口湖（天池）。在龙岗火山群，有大椅山玄武岩的喷发活动，形成星罗棋布的火山熔渣锥和龙湾火口湖。在第二松花江沿岸的吉林市小丰满一带，有裂隙式玄武岩的喷发活动。同时，在东部山区的各大、小沉积盆谷地，均有河流相砂砾石沉积。
中更新世为松嫩大湖的鼎盛时期。在伏龙泉高地以西的广大地区，中央凹陷再次下沉、形成了较大的湖泊，周围的河流均向湖区汇聚，该湖泊西起烟筒屯、坦途至白城一线，东达前郭县城以东，南起长岭，向北一直延伸到黑龙江省的林甸一带。长岭一带为较深的湖区，湖泊中沉积了淤泥质亚粘土和粘土。在第二松花江与拉林河之间的地块，由于地壳断陷式下降，接受了河湖相的砂砾石和淤泥质粘土的沉积。
中更新世，松辽平原区的湖沼发育，至少经历了四次气候波动。初期为大陆性低温干旱气候，植被南部为以麻黄、柽柳和藜科为代表的草原景观，北部为桦林草原景观；此后为温和半湿润气候，植被中阔叶树增加，水生植物和盘星藻、转板藻增加，为以松、桦、榆、菊为代表的阔叶疏林草甸草原景观；再后为冷湿气候，山地有云杉林，平原区禾草和蒿增加，为以松、云杉、藜、禾草类为代表的暗针叶林草原景观；末期气候再度转暖，为温和半湿润气候，植被中阔叶树、水生植物和藻类增加。为以松、桦、柳、禾草类为代表的阔叶疏林草原景观。
中更新世晚期，在季风环流的控制下，盛行西北风和西南风，尤其是每年的春季，西风送来的粉尘沉降在地表，被不同地貌环境下的外营力所改造，在松辽平原的东部，形成以风成为主，兼有冲洪积和残坡积等各种成因的黄土状土。由于气候的冷暖波动，黄土往往有1～2层埋藏的古土壤。
中更新世末期，松辽分水岭开始隆起，伏龙泉高地继续隆起，受分水岭隆升的阻隔，东辽河由原来向西北流逐渐变为向西南流，西辽河则由原来向东北流，逐渐变为向东南流，古东、西辽河汇入下辽河后注入渤海。松辽分水岭的隆起，使松辽平原由向心状水系演变为外流水系，平原中部的湖泊亦逐渐萎缩，乃至消失。来自大兴安岭的古霍林河道，受分水岭隆起的掀升作用，向西北迁移。同时，在分水岭的东段及伏龙泉高地的西侧，形成了现海拔220米左右的低台地。在第二松花江以北地区，形成了现海拔200～220米的低台地。
吉林省东部山区继续隆升，遭受风化剥蚀，断裂活动进一步发育，火山活动频繁，在长白山中央火山锥体的周围，形成了一些寄生火山锥，长白山已接近现代的高度。在图们江上游的广坪，大洞屯、下天坪等地，有广坪玄武岩的喷发活动。在龙岗火山群有金龙顶子玄武岩喷发活动。在第二松花江沿岸的吴家屯与吉林市小丰满之间，有河谷玄武岩的喷发活动。在敦化北部的牡丹江沿岸，有马连河玄武岩的喷溢活动。在东部山区各大河流域，均有河流相沉积，由于地壳的阶段性隆升，形成不同高度的河谷阶地。
晚更新世松辽平原以东升西降的掀斜式运动为主，河流下切，在河谷地区形成河流阶地。在第二松花江以北的永平、三井子和万发等地，形成了海拔170～180米的阶地平原。在松辽分水岭北侧，霍林河继续向西北迁移，晚更新世早期形成了现海拔170～180米的阶地平原，晚更新世晚期成了现海拔150～160米的阶地平原。洮儿河自大兴安岭进入松嫩平原的山前地带，晚更新世早期形成了冲洪积扇形地，扇形地前缘以细砂为主，晚更新世晚期，由于气候条件冷干，碎屑物来源相对减少，冲洪积扇的规模缩小，受冲洪积扇北侧隆升作用的影响，洮儿河逐渐向西南偏移。由于气候的冷暖波动和干湿交替，沉积物出现了河湖相堆积与黄土堆积的更迭。晚更新世早期，在榆树县一带，为河湖相的灰绿色粘土和黄砂的沉积。以后，榆树、大安和乾安等地，为淡棕黄色黄土的沉积，黄土中夹有黑色或红色土壤条带，晚更新世晚期，在平原东部的河谷地带，首先有河流相的灰黄、棕黄到灰绿、灰黑色的砂砾、粉砂质粘土和淤泥的沉积。在中西部的湖沼地带，为冲积、湖积环境下的粉砂质粘土和粘土质粉砂的沉积。在农安三岗一带，有沼泽环境下的泥炭堆积。以后，由于末次冰期的到来，气候干冷，在平原区普遍有黄土状土的堆积。
松辽平原晚更新世气候，经历了冷干—冷湿—温凉半湿润—冷干的变化。植被也发生了一系列的演替。初期为以蒿、藜、水龙骨为代表的蒿草草原景观；然后为以松、云杉、卷柏、阴地蕨为代表的暗针叶林草原景观；再后为以松、桦、蒿为代表的松桦林草原景观。草原上耐寒的哺乳动物繁盛，松花江猛犸象、真猛犸象、东北野牛、野马、原始野牛、真鹿、东北狍子和鼢鼠等，都是这个时期动物群的主要代表。
晚更新世的晚期，吉林省的气候条件寒冷而干燥，气温普遍比现在低4～12℃，在寒冻作用下，冰缘地貌发育，在河湖相堆积物上面，普遍覆盖着冰缘环境下的黄土堆积。冰楔、热融湖、缓坡浅谷与漫岗等广泛分布，古永久冻土的南界，大致在松辽分水岭一带，即在北纬43～44度附近。随着冰期气候的到来，海面下降，大陆架广泛出露，日本海的北部亦被冰封，并与太平洋北部的冰面连成一体，构成气候大陆，这种海陆形势，使东南季风大大萎缩，干燥线的位置明显东移，并在它的东部形成一大片冰缘沙地。因为冻土发育，风对沙质地面的改造作用较浅，但却比较广泛地形成了一些规模不大的低缓沙丘。沙地的范围明显地向东扩张，其东界可达榆树县的五棵树一带。冰缘沙地东侧为广泛发育的冰缘黄土。
末次冰期，长白山的顶部已达雪线以上的高度，在天池之上，发育了火山口冰川，受冰川作用，在火山口的内壁，沿断裂构造形成了六个两两相对的冰斗。在天池火山口的北侧，海拔1950～2050米的高度上，发育有终碛垄。在火山口冰帽的外侧，则为冰缘环境。
晚更新世，在吉林省安图县明月镇和榆树县周家油坊等地。已有人类活动的遗迹。在榆树县周家油坊发掘的一批石器和骨器证实，大约距今4～7万年前的“榆树文化”是旧石器时代人类文化的遗址。
吉林省东部的长白山有白云峰组浮岩和冰场组粗面质凝灰角砾岩的喷发活动，根据历史文献记载，长白山于1597年、1668年和1702年分别有三次喷发，但规模较小，主要为气体喷发物。在鸭绿江上游也有冰场组的喷发活动。在龙岗火山群有四海火山渣的喷发活动。同时，随着冰后期气候的转暖，长白山顶的冰川环境，逐渐演变为冰缘环境，在天池火山口的周围，发育有高夷平阶地、多边形土、泥流坡、石河和冰缘岩柱等地貌形态。
早全新世（前北方期、北方期，距今10000～7000年前）长白山海拔1000米以下的地带，植被为以松、桦为主的针阔叶混交林，间或有小片桦木林。海拔1000米以上的地带，是由云杉和冷杉构成的暗针叶林。气候条件比现在稍干，温度比现在低1～3℃。
中全新世早期（大西洋期，距今7000～4000年前）长白山区植被为以栎和胡桃为主的落叶阔叶林，针叶树种基本消失。地处高海拔的一些山峰为以獐子松、红松和榆为主的针阔叶混交林。这个时期，林间沼泽普遍发育，沼泽植被以苔草和水龙骨为主，亦有泥炭藓和其他蕨类植物生长。气候较为湿润，气温比现在高1℃左右。
中全新世晚期（亚北方期，距今4000～2000年前）长白山为针阔混交林，红松等针叶林树种不断增多。气候条件接近于现代。
晚全新世（亚大西洋期，距今2000年前至今）长白山区植被为含有较多云杉。冷杉的针阔混交林。这个阶段针叶树比例迅速增加，是云杉和冷杉发育的鼎盛时期，栎、榆阔叶树相对减少，桦木林的数量增加。晚全新世的后期，高海拔地区生长的小片暗针叶林逐渐退缩，针阔混交林中针叶树的数量开始减少，阔叶树种相对增多，逐渐演变为现代长白山垂直分布的自然植被。晚全新世全球气候变冷，已进入新冰期，长白山区的年平均温度比现在低1～2℃，湿度比现在大，为冷湿气候，新冰期以后，长白山区又经历了公元1000～1200年的小气候最适宜期和公元1550～1850年的小冰期而进入现代气候。
在松辽平原地区，随着冰后期气候的转暖，自然环境也发生了相应的变化。松辽平原仍以东升西降的掀斜运动为主、河流继续下切，在第二松花江、饮马河、伊通河、拉林河、洮儿河、霍林河、东辽河和西辽河的河谷中，形成了一级阶地和河漫滩。在松辽平原的中西部地区，为湖泊、沼泽环境，随着气候转暖，气温升高，降水增加，冻融作用和风力作用明显地削弱，永久冻土向北退到北纬48度左右。干燥线亦向西退去。松辽平原以流水作用和风力作用为主，受季风环流和季风气候的控制，流水、风沙和寒冻作用，在四季之③进退交绥。
温带半湿润—半干旱大陆性季风气候的特点愈见明显。夏季高温多雨，冬季严寒，春季干燥多风，冬季处于蒙古高压的东部边缘，盛行西北风，春季气压出现南高北低形势，常形成强大的西南风。风季不同地形面上的河流冲积砂，大面积被风吹起，早期形成的冰缘沙地沙丘规模增大。与末次冰期相比，沙丘的范围缩减，其东界大致从五棵树一带西退到扶余县小弓棚—农安县哈拉海—长岭县利发盛—梨树县四棵树一线。
全新世早期，松辽平原气候条件仍然干凉。全新世中期气候温和偏湿，沙地中普遍发育了一层古土壤，沙地中草本植物大量出现，主要为蒿属和葱科，木本植物数量很少，针叶树主要为松、云杉、冷杉，落叶阔叶树主要为桦、柳、榆、榛等，蕨类植物种类单调，主要为卷柏、阴地蕨、石松、水龙骨科等。此外，还有木贼属转板藻、环纹藻和苔藓等喜湿植物。全新世晚期气候干凉，风力作用再次活跃，并发生古沙翻新，只是翻新过程比较缓慢且不均匀。在全新世中期发育的古土壤上面，比较普遍地覆盖有这一时期形成的沙丘或沙堆。在一些地势低洼的湖沼附近，此时形成的沙丘中，仍有较薄的古土壤层发育。经过长时间的演化，自然环境更加接近于现代。在现代自然环境的演化过程中，人类活动对自然环境的干预，已成为一个十分重要的因素。
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