Das Pleistozän, das auch unter dem veralteten Begriff Diluvium bekannt ist, beschreibt die ältere der beiden Serien innerhalb des Quartärs, die vor etwa 2,6 Millionen Jahren einsetzte und fast 2,5 Millionen Jahre andauerte. Nachdem der Begriff Diluvium, der sich zunächst auf den Mythos der Sintflut bezog, bis ins frühe 20. Jahrhundert in Verwendung war, wurde in der modernen Forschung schließlich der Name Pleistozän gebräuchlich, der sich von zwei altgriechischen Wörtern ableitet und übersetzt etwa "überwiegend neu" bedeutet. Wissenschaftler unterteilen das Pleistozän heute in vier Stufen, nämlich das Gelasium, das Altpleistozän oder Calabrium, das Mittelpleistozän oder Ionium und das Jungpleistozän oder Tarantium. Das gesamte Pleistozän ist von mehreren aufeinanderfolgenden Kaltepochen, sogenannten Glazialen geprägt, zwischen denen vorübergehend wärmere Temperaturen vorherrschten.

Das Pleistozän ist jener Abschnitt des Quartärs, der durch starke Temperaturschwankungen sowie einen durchschnittlichen globalen Temperaturrückgang von bis zu 13° C geprägt ist. Dies verursachte nicht nur weitflächige Vergletscherungen und Vereisungen an den Polkappen, sondern auch ausgeprägte Warm- und Kaltzeiten in den gemäßigten Klimazonen sowie Regenperioden und darauffolgende Trockenzeiten in den warmen Gebieten der Erde. Die Kaltzeiten sind von einer weitflächigen Bedeckung der Landmasse mit Eis gekennzeichnet. Da sich große Wassermassen der Ozeane in Eis umwandelten, sank der Meeresspiegel im Pleistozän, was zur Bildung einiger Landbrücken wie etwa der Bering-Brücke führte. Die Warmzeiten oder sogenannten Interglaziale unterteilen diese Epoche in drei große Vereisungsperioden.

Jede Eiszeit innerhalb des Pleistozäns brachte in den gemäßigten Zonen eine Phase, in der die Wälder drastisch zurückgingen und durch eine karge Vegetation abgelöst wurden. In weiten Teilen Nordeuropas waren im Pleistozän während der Kaltzeiten sogar gar keine Bäume vorhanden, was zur Bildung von Zwergstrauchsteppen und Graslandschaften führte. Diese wurden von Herden riesiger Säugetiere bevölkert. Zu den Tierarten, die im Pleistozän lebten, zählen Mammuts, die Körpergrößen von bis zu drei Metern erreichten. Auch Riesenhirsche, Pferde, Nashörner und Urrinder lebten in großen Herden in den Wäldern und Grassteppen Europas. Wölfe, Säbelzahntiger, kleinere Wildkatzen und Höhlenlöwen zählten zu den am weitesten verbreiteten Räubern im Pleistozän. Jene Tierarten, die sich an die klimatischen Bedingungen der Kaltzeiten angepasst hatten, wanderten während der Interglaziale Richtung Norden ab, an die Wärme angepasste Tiere drangen in südlichere Gebiete vor. Daher sind Nashörner, Nilpferde, Elefanten oder große Raubkatzen (Löwe, Leopard oder Tiger), die einst Mitteleuropa bevölkerten, heute nur mehr in Afrika und Südasien anzutreffen.

Das Pleistozän ist zudem für das Auftreten der ersten Menschen bedeutsam. Der frühe Mensch Homo habilis besiedelte zunächst Afrika und drang dann immer weiter in den Norden vor. Auch der Neanderthaler und der Homo sapiens tauchten im Pleistozän auf. Während der Neanderthaler vermutlich aufgrund von Anpassungsschwierigkeiten wieder ausstarb, setzte sich Homo sapiens durch und durchlebte im Holozän eine bahnbrechende Entwicklung vom Nomaden zum sesshaften Menschen.