Đánh dấu sự bắt đầu của thế Eocen, Trái Đất bị nóng lên trong một trong những (theo thuật ngữ địa chất) sự kiện nóng ấm toàn cầu nhanh và mạnh nhất đã được ghi nhận lại trong lịch sử địa chất, gọi là Cực đại nhiệt Paleocen-Eocen hay Cực đại nhiệt khởi đầu Eocen (PETM hay IETM). Đây là một giai đoạn nóng ấm nhanh và mãnh liệt (tới 7 °C ở các vĩ độ lớn) kéo dài trong chưa tới 100.000 năm [2]. Cực đại nhiệt sinh ra sự kiện tuyệt chủng rõ nét và nó tạo ra sự khác biệt rõ nét của quần động vật thế Eocen với hệ sinh thái của thế Paleocen.

Khí hậu toàn cầu trong thế Eocen có lẽ là đồng đều nhất trong đại Tân Sinh; gradient nhiệt độ từ xích đạo tới hai địa cực chỉ bằng khoảng một nửa gradient ngày nay, và các hải lưu sâu là rất ấm.[3] Các vùng cận kề địa cực là ấm hơn so với ngày nay, có thể chỉ giống như khu vực tây bắc Thái Bình Dương hiện nay; các cánh rừng ôn đới kéo dài tới vùng cực, trong khi khí hậu nhiệt đới nhiều mưa kéo dài về phía bắc tới vĩ độ 45. Khác biệt là lớn nhất tại các vĩ độ ôn đới ngày nay; tuy nhiên, khí hậu tại các vùng nhiệt đới có lẽ là tương tự như ngày nay.[4]

Khí hậu được duy trì là ấm trong toàn bộ thế Eocen, mặc dù sự lạnh toàn cầu được kích thích bởi sự kiện Azolla, cuối cùng đã dẫn tới sự băng hà hóa trong thế Pleistocen, được bắt đầu khi các dòng hải lưu xung quanh châu Nam Cực hình thành.