Несколько позднее (20–19 млн лет назад) связь Средиземноморского бассейна с Индо-Тихоокеанским прекратилась. На Ближнем и Среднем Востоке образовалось несколько замкнутых водоемов. Впервые установилась наземная связь между Евразией и Африкой. В то же время на западе соединение Средиземноморья с Атлантикой сохранилось. Вследствие продолжавшегося поднятия осушился ряд бассейнов на западе Паратетиса (в частности, Богемский массив).
На протяжении раннего миоцена происходило общее похолодание. Это обстоятельство, а также установление сухопутных связей между Евразией и Африкой привели к значительному изменению животного мира. В Африке появились свиные (Suideae) и хищники, в Европе — креодонты и бовиды.
Приблизительно 17,5—16,8 млн лет назад в условиях, характеризующихся, с одной стороны, дальнейшим поднятием в районе Богемского массива, а с другой — расширением морского бассейна в Паннонии, на территории Средней Европы отмечен новый пришелец — гоминоид-плиопитек (Pliopithecus vindobonensis), остатки которого обнаружены и в СССР.
Начало среднего миоцена (17–16 млн лет назад) совпало с крупной трансгрессией Паратетиса, проходившей на фоне продолжавшейся трансгрессии Мирового океана. Паратетис сообщался с Тетисом глубоким проливом в районе Северной Югославии. В свою очередь, восстановилась связь Восточного Средиземноморья с Индо-Пацификой. В Восточном Паратетисе существовал солоноводный Тарханский бассейн, соединявшийся как с Западным Паратетисом, так и с Восточным Средиземноморьем. Тарханский бассейн сменился Чокракским, еще более значительным по размерам. Воды этого бассейна были также солеными. Вначале Чокракский бассейн соединялся с Тетисом, вскоре эта связь нарушилась. Позднее в пределах Паратетиса возник замкнутый Караганский бассейн. Этот водоем был солоноводный, но вследствие его замкнутости соленость его резко отличалась от нормальной. На дне бассейна осаждался гипс. Связь же Центральноевропейского Паратетиса с Тетисом сохранялась. Продолжавшееся сухопутное соединение с Африкой привело к появлению в Европе новых групп приматов, в том числе рамапитеков и сивапитеков. Примерно 14 млн лет назад в области Восточного Паратетиса существовал Конкский бассейн, воды которого имели нормальную соленость. Восстановилась связь Восточного Паратетиса с западным, а также с Тетисом и с Индо-Пацификой. Проливы, видимо, были в Восточной Грузии, в районе Месопотамии и Аравийской платформы.
В верхнем миоцене (14–10 млн лет назад) связь Паратетиса с бассейнами Передней Азии прекратилась. Одновременно еще более стабилизировалась сухопутная связь Евразии и Африки. 13–10 млн лет назад в области Восточного Паратетиса располагалось обширное Сарматское море. Это был замкнутый бассейн, лишь местами соединявшийся с океаном. Основную часть его занимал Эвксино-Каспийский водоем, к нему причленялся Дакийский. В свою очередь, этот небольшой бассейн был связан узким проливом с обширным Паннонским водоемом, который позднее прекратился в замкнутое озеро. В позднем сармате Эвксино-Каспийско-Дакийский бассейн сильно сократился в размерах и опреснился.
Приблизительно 12 млн лет назад на огромных пространствах Евразии и Северной Африки появились предки лошадей — гиппарионы. Это событие связывают с глобальной регрессией Мирового океана (есть точка зрения, согласно которой гиппарионы переселились из Северной Америки). В Тетисе происходила трансгрессия Тортонского бассейна. В период максимального подъема уровня Средиземное море ненадолго соединялось через проливы на севере Эгейского моря и Дарданеллы с Эвксинским бассейном.
Данные спорово-пыльцевого анализа и исследования фауны говорят о том, что климат Европы на протяжении тортонского времени был теплым и влажным. Большая часть обнаруженных костей животных принадлежит обитателям тропических и субтропических сильно заболоченных лесов (дриопитеки, носороги Шлейфмахера и др.). Более редкими были обитатели степей, в первую очередь гиппарионы.
Между тем в Восточном Паратетисе возник новый бассейн — Мэотис. Начальный его этап совпал с морской трансгрессией. Связь с Западным Средиземноморьем осуществлялась, видимо, через территорию Турции и Ирана. Позднее эта связь прекратилась и Мэотийский бассейн опреснился. Новый цикл развития Восточного Паратетиса совпал с возникновением Понтийского бассейна. Первоначально он состоял из нескольких соединенных между собой водоемов: Паннонского, Дакийского, Эгейского, Эвксинского, Каспийского. Он был связан со Средиземноморским бассейном проливами в районе Греции. На начальном этапе существования Понтийского бассейна климат был влажным и теплым, близким к субтропическому. По данным спорово-пыльцевого анализа, в Западной Грузии в то время росли пальмы, древовидные папоротники, лавровые деревья. Температура июля была не меньше 20–25 °C, а января +8.. +10 °C. Резкое похолодание и иссушение климата произошли в конце понтийского этапа. Исчезли субтропические леса; их место заняли травянистые ландшафты, переходящие на востоке в полупустыни. По оценкам палеоботаников, температуры января могли опускаться до —5…—10 °C. Примерно 6 млн лет назад тектонические процессы привели к тому, что Средиземноморский бассейн отделился от Атлантического океана. Образовавшийся водоем получил название Мессинского. В этом замкнутом бассейне шло интенсивное накопление солей. Мощные слои соли и гипса были обнаружены глубоководным бурением и эхозондированием в различных частях бассейна, в основном в пределах глубоководных впади и. Это событие известно в истории Средиземного моря как мессинский кризис солености.