Mesozoikoa orain 245 milioi urte hasi eta duela 65 milioi urte amaitu zen. Hiru periodotan zatitzen da: Triasikoa, Jurasikoa eta Kretazeoa.
Geologiaren ikuspegitik, Paleozoikoaren amaierako aktibitatearen ondoren, Mesozoikoarekin batera, garai lasaiagoa iritsi zen. Pangea superkontinentea apurtzen hasi zen; hasiera batean, bi zatitan: Laurasia iparraldean eta Gondwana hegoaldean. Ondoren, Ipar Amerika eta Eurasia banandu ziren Laurasiatik; baita Hego Amerika, Afrika, India, Australia eta Antartika ere, Gondwanatik. Mesozoikoaren amaieran, Hego Amerikako plakak talka egin zuen Nazcako plakarekin, eta Andeetako mendilerroa sortu zen.
Bizidunei dagokienez, Mesozoikoa narrastien eta dinosauroen garaia izan zen, nagusiki; baina lehen ugaztunak eta hegaztiak ere sortu ziren; bai eta landare-espezie berriak ere. Narrasti erraldoiek eta dinosauroek kontinente guztiak kolonizatu zituzten. Meteorito erraldoi baten erorketak, uste denez, Mesozoikoaren amaierako desagertze handia ekarri zuen: beste espezie askoren artean, dinosauroen eta narrasti erraldoien erabateko desagerpena.
Mesozoikoan zehar, ia Euskal Herri osoak urpean jarraitu zuen, eta inguruko kontinenteetan higatutako materialen sedimentazio-gune izaten. Mesozoikoaren hasieran sedimentatutako materialen artean, garrantzi berezia eduki zuten gatzek, horiek osatu baitzituzten, izan ere, geroago diapiroak. Mesozoikoaren amaierako sedimentazioaz bat, gaur egun ezagutzen ditugun egiturak sortzen hasi ziren. Sakonera txikiko zonetan, sedimentatu egin zen gaur egun uren banalerroa diren mendietako kareharria. Sakonera handiko lekuetan, berriz, material bigunak eta gogorrak sedimentatu ziren txandaka, eta gaur egun ezagutzen ditugun flysch deituriko egiturak sortu zituzten.
Euskal Herriko erliebea erdibitzen duten mendiak (Aralar, Aizkorri, Gorbeia…) Mesozoikoan sedimentatutako kareharriz osatuta daude.