На протяжении этого этапа уровень моря значительно понизился (по оценкам специалистов, на 1–3 км). Причины регрессии неясны. Ряд геологов предполагают, что понижение вызвано химическими процессами, протекавшими одновременно с осаждением солей. На осушенной поверхности дна сформировался рельеф пустынного типа. Климатические условия в то время отличались повышенной аридностью во всех частях Средиземноморского бассейна. Вечнозеленые леса, существовавшие в раннепонтийское время, сократились. Из животных широко распространились обитатели сухих саванн. Мессинский этап продолжался всего около 500 тыс. лет.
Примерно 5,4 млн лет назад в эвксинской зоне на смену Понтийскому бассейну пришло Киммерийское море, соединявшееся на западе с Дакийским. На юго-востоке Киммерийское море соединялось с Бабаджанским водоемом, занимавшим южную часть Каспийской впадины. Позднее Каспийский водоем полностью отделился от Эвксинского и превратился в замкнутый бассейн, известный геологам под названием Балаханского. Этот бассейн занимал наиболее пониженные районы Азербайджана и Западной Туркмении. Климат был достаточно теплым, спорово-пыльцевой анализ показывает, что берега Киммерийского моря были окружены субтропическими лесами и саваннами. По данным палеоботаников, в течение среднего этапа существования Киммерийского моря на территории Грузии росли субтропические леса, состоявшие из пальм, магнолий, лавра, фисташки, гинкго, папоротниковых деревьев. Средние температуры января составляли не менее 18 °C, а осадков выпадало не менее 2000 мм в год. Около 3,5 млн лет назад началось похолодание и аридизация климата, что сопровождалось глубокой регрессией Киммерийского бассейна.
Средиземноморский бассейн в тортонское время, около 12 млн лет назад [Rogl, Steininger, 1983]
Средиземноморский бассейн в мессинское время, 6–5,5 млн лет назад [Rogl, Steininger, 1983]
В Средиземноморье вслед за мессинской регрессией около 5,4 млн лет назад началась мощная трансгрессия, в результате восстановилась связь с океаном. Возникший морской бассейн получил название Занклийского. Он просуществовал вплоть до 3,5 млн лет назад. Его сменил бассейн, известный геологам под названием Пьяченца (или Плезанс). Переход к стадии Пьяченца совпал со значительным изменением в составе морской фауны: появились холодоустойчивые виды моллюсков. Этот же рубеж соответствует инверсии магнитного поля Земли — переходу от эпохи обратной полярности Гилберта к эпохе прямой намагниченности Гаусса.
Палеогеографические данные, полученные в разных частях Европы, свидетельствуют о том, что 3,4–3,2 млн лет назад произошла значительная перестройка природной среды. На юге Франции исчезли растения, развивавшиеся при круглогодичной влажности (в частности, таксодиевые). Их место заняли растения так называемого средиземноморского типа (фисташка, вечнозеленый дуб), которые хорошо переносят летние засухи. Как считают палеогеографы, именно в это время наступило общее похолодание и иссушение климата, в результате чего в Западном Средиземноморье возникли климатические условия, близкие к современным (с летними засухами).
По расчетам палеоботаников, 3,2 млн лет назад средние температуры января понизились до 5—10°, a 2,5 млн лет назад они составляли уже около 0 °C. По-видимому, тогда же в Альпах сформировались первые ледники. Ледниковые отложения обнаружены в пределах Ломбардской низменности, которая в те времена была морским заливом.