白垩纪是地质年代中中生代的最后一个纪，长达8000万年，是显生宙的最长一个阶段。白垩纪因欧洲西部该年代的地层主要为白垩沉积而得名。始于1.455亿年前，结束于6550万年前，历经7950万年。
白垩
白垩是石灰岩的一种类型，主要由方解石组成，颗粒均匀细小。白垩纪这一时期形成的地层叫“白垩系”，白垩层是一种极细而纯的粉状灰岩，用手可以搓碎，是生物成因的海洋沉积，主要由一种叫做颗石藻(Coccoliths)的钙质超微化石和浮游有孔虫化石构成，在英、法海峡两岸形成美丽的白色悬崖。白垩层不仅发育于欧洲，北美和澳大利亚西部也有分布。
冈瓦纳大陆于2亿年前开始解体和漂移。但在白垩纪初期，冈瓦纳大陆仍未分裂，而后南美洲、南极洲、澳大利亚相继脱离非洲，印度和马达加斯加还连在非洲上。南大西洋与印度洋开始出现。这些板块运动，造成大量的海底山脉，进而造成全球性的海平面上升。非洲北边的特提斯洋在变窄。西部内陆海道将北美洲分为东西两部，这个海道在白垩纪后期缩小，留下厚的海相沉积层，夹杂着煤矿床。在白垩纪的海平面最高时期，地表上有1/3的陆地沉浸于海洋之下。白垩纪因为黏土层而著名，这个时期形成的黏土层多于显生宙的其他时期。中洋脊的火山活动，或是海底火山附近的海水流动，使白垩纪的海洋富含钙，接近饱和，也使得钙质微型浮游生物的数量增加。分布广泛的碳酸盐与其他沉积层，使得白垩纪的岩石纪录特别多。现中南欧和中近东的许多国家当时都淹没在海水中。澳大利亚是到了晚白垩世末期才开始脱离南极板块。
晚白垩世早期，发生了全球性大规模的海侵，从墨西哥湾到北冰洋的一浅海，流经北美洲中西部，分大陆为东西两部分；另一浅海经波兰侵入俄罗斯中部，使北冰洋与特提斯海贯通，北方冷水动物群与南方暖水动物群发生混合。
白垩纪的气候比较温暖，北纬40°～90°地带年平均温度为10℃，未见极地冰盖迹象，温带和亚热带植物可出现于格陵兰和阿拉斯加等高纬度地区，地表许多地区植被浓密，形成了不少大煤田。这表明大部分地区雨量充沛,气候湿润,一些近海及滨海地带形成了丰富的石油、煤、天然气及油页岩矿床，如美国得克萨斯州、墨西哥、波斯湾、北非和俄罗斯的许多大油田，特别是中国松辽平原的大庆油田，东北和内蒙古的许多大煤田也都是这个时期形成的。在一些气候干旱炎热的地区，如中国南方晚白垩世的西南湖群和云梦泽水系，有巨厚的膏盐矿床沉积。此外，云南白垩纪红层中，含铜砂岩矿床不仅品位高，而且规模大，还易于开采和冶炼，自古就是有名的铜乡。
目前，科学界一般将白垩纪分为晚、早两世，共计12期，都以欧洲的地层为名。
早白垩世中期，由于太平洋板块的剧烈活动，中国东部著名的郯庐断裂发生了巨大的平移，在1500万年间平移了将近740千米，平均每年移动约5厘米。太平洋东岸的圣安的列斯断层与此相应，平移了将近720千米，每年移动近5厘米，这是太平洋北部的库拉板块向西北方向漂移所引起的。在这一活动过程中，中国东部特别是东南沿海地区发生了强烈的火山喷发和岩浆活动，而中国中部和西部内陆地区，白垩纪很少有火山活动，但西藏海域却有水下喷发。
植物
白垩纪早期，以裸子植物为主的植物群落仍然繁茂，而被子植物的出现则是植物进化史中的又一次重要事件。白垩纪有了可靠的早期被子植物，到晚白垩纪晚期被子植物迅速兴盛，代替了裸子植物的优势地位，形成延续至今的被子植物群，诸如木兰、柳、枫、白杨、桦、棕榈等，遍布地表。被子植物的出现和发展，不仅是植物界的一次大变革，同时也给动物以极大的影响。被子植物为某些动物，如昆虫、鸟类、哺乳类，提供了大量的食料，使它们得以繁育；从另一方面看，动物传播花粉与散布种子的作用，同样也助长了被子植物的繁茂和发展。
开花植物（被子植物）在白垩纪开始出现、散布。蜜蜂的出现，有助于开花植物的演化；开花植物与昆虫是共同演化的实例。榕树、悬铃木、木兰花等大型植物开始出现。一些早期的裸子植物仍继续存在，例如松柏目。南洋杉与其他松柏繁盛并分布广泛，而本内苏铁目在白垩纪末灭亡。
动物
白垩纪恐龙种类达到极盛，这时候最著名的恐龙是霸王龙，是陆地上出现过的最大的食肉动物，而当时海洋中巨大凶猛的爬行动物并不亚于霸王龙，其中混龙类的上龙和海生蜥蜴类的沧龙身长可超过15米，比我们认识的逆戟鲸和大白鲨都大。白垩纪海洋中造礁的厚壳蛤达到极盛，一度取代珊瑚成为主要的造礁生物，使现代类型的珊瑚礁中断了将近7000万年。
海洋里，鳐鱼，鲨鱼，和其他硬骨鱼也很常见。海生爬行动物则包含：生存于早至中期的鱼龙类、早至晚期的蛇颈龙类、白垩纪晚期的沧龙类。
杆菊石具有笔直的甲壳，属于菊石亚纲，与造礁生物厚壳蛤同为海洋的繁盛动物。有孔虫门的球截虫科与棘皮动物（例如海胆、海星）继续存活。
在白垩纪，海洋中的最早硅藻（硅质硅藻）出现；生存于淡水的硅藻直到中新世才出现。对于造成生物侵蚀的海洋物种，白垩纪是这些物种的演化重要阶段。
物种大灭绝
白垩纪是地球上海陆分布和生物界急剧变化、大西洋迅速开裂和火山活动频繁的时代，后期地势低平发生了广泛的海侵。晚白垩世被子植物代替裸子植物在陆上占优势，是植物界的一大变革。动物界在白垩纪末才发生重大变化，恐龙、菊石和其他许多生物类群大量灭绝，预示着新生代即将开始。对引起这次大规模生物灭绝的原因，国际科学界展开了热烈的争论。颇为流行的“地外事件”学说认为，是宇宙中一颗巨大的流星碰撞地球产生的类似核冬天效应的结果。但是，对“地外事件”持怀疑态度和反对意见的人也不少，他们认为，白垩纪末生物大规模灭绝是逐渐发生的，是生态改变的结果，而不是一次简单的天外来客撞击地球所引起的灾难。
不管怎么说，这次物种大灭绝造成了在地表居统治地位的爬行动物大量消失，恐龙完全灭绝；一半以上的植物和其他陆生动物也同时消失。而哺乳动物则成为了这次物种大灭绝中最大的受益者，它们度过了这场危机，并在随后的新生代占领了由恐龙等爬行动物退出的生态环境，迅速进化发展为地球上新的统治者。而这次灭绝事件，也成为了中生代与新生代的分界线。