Реки и долины, которые они занимают, подверглись сильному влиянию меняющегося климата плейстоцена. Русла рек и их осадочные отложения в значительной степени контролируются количеством и типом нагрузки, которая поставляется их водосборными бассейнами, а также сбросом или количеством воды, доступной для потока.
Оба тесно связаны с климатом, который не только включает в себя осадки, испарение и сезонность, но также контролирует площадь растительного покрова земли, а также тип и интенсивность процессов выветривания.
Кроме того, из-за изменений уровня моря, связанных с оледенением, базовый уровень рек в прибрежных районах также колебался на значительные величины. В результате речная среда была динамичной и изменчивой.
Это было верно для большинства рек, но особенно для тех рек, которые отводили большие количества талой воды и осадка с краев ледника. Во время оледенения реки последнего типа развивали разветвленные русловые узоры в ответ на поступление больших количеств осадка, образовавшегося из-за таяния ледников и подледниковых вод, и на большие колебания количества воды, текущей в любой момент времени, которые варьировались из-за сезонного и суточного контроля за образованием талой воды. Во время оледенения многие из этих рек откладывали толстые последовательности песка и гравия в своих долинах; примерами служат реки Гудзон, Миссисипи и Огайо в Соединенных Штатах и реки Темза, Эльба, Рейн и Сена в Европе. Подобные долины были погребены под более молодыми ледниковыми отложениями и больше не видны на поверхности. Сегодня они существуют как долины с толстыми засыпками из речного песка и гравия или озерного ила в местах, где в долинах в результате ледникового запрудения существовали озера. Засыпка из песка и гравия в поверхностных долинах обеспечивает строительный материал, а большая часть грунтовых вод поступает из засыпок как поверхностных, так и погребенных долин.
Некоторые ледниковые долины, а также крупные возвышенные районы были местами крупных катастрофических наводнений, которые возникли в результате внезапного осушения прогляциальных и подледниковых озер. Такие наводнения известны как jökulhlaups, исландский термин для обозначения прорывов подледниковых озер. Самые крупные и известные наводнения такого типа произошли в Channeled Scabland в районе Колумбийского плато на востоке штата Вашингтон. Ледяные языки, текущие на юг от Кордильерского ледникового щита, периодически перекрывали реку Кларк-Форк, образуя ледниковое озеро Миссула. Временами озеро Миссула простиралось более чем на 200 километров вверх по долине и имело глубину около 600 метров вблизи ледяной плотины. Внезапный прорыв ледяной плотины высвободил более 2000 кубических километров воды, которая хлынула на запад и юг через Колумбийское плато и вниз по долине реки Колумбия. Наводнения прорезали лессовый покров в базальт и оставили систему больших сухих каналов с водопадами, выбоинами и продольными канавками в базальте. С сухими каналами связаны огромные, грубозернистые гравийные отмели и гигантская рябь течения. Другие крупные катастрофические наводнения стали результатом внезапного осушения ледникового озера Агассис и предковых Великих озер, а также некоторых неледниковых озер, таких как озеро Бонневиль в Большом Бассейне (см. выше).
Во время англо-эльстерского оледенения в Европе в Северном море образовалось крупное ледяное озеро, и его обильные разливы привели к образованию Дуврского пролива.
В период перехода от ледниковых к межледниковым условиям рисунок русла реки изменился с разветвленного на извилистый в результате уменьшения нагрузки и, возможно, сброса. Вблизи ледниковых областей реки размывались в ледниковый зной и оставляли систему речных террас вдоль сторон большинства долин.
Эти современные межледниковые реки намного меньше своих ледниковых аналогов и не приспособлены (т. е. кажутся слишком маленькими) по отношению к большим долинам, в которых они текут. Напротив, реки вблизи прибрежных районов активно наращивали свои русла во время перехода к межледниковым условиям в ответ на повышение уровня моря.
Эоловые отложения играют важную роль в плейстоценовой летописи и указывают на широко распространенное воздействие ветра в определенное время и в определенных регионах мира. Уже упоминалось о важности лессово-палеопочвенных записей в разработке региональных хронологий и палеоклиматической истории. Лесс покрывает большие части центральной и северо-западной части Соединенных Штатов, Аляски, восточноевропейской равнины России и южной Европы, где он тесно связан с эпизодами оледенения или с холодным перигляциальным климатом за пределами границ ледникового щита или с тем и другим. Лесс образовался в основном из широких пойм разветвленных рек, отводящих талую воду и осадки от ледников, а также из недавно обнажившихся ледниковых дрейфов. Местами песчаные дюны и песчаные пласты встречаются вблизи источников долины и в некоторых случаях покрывают большие возвышенные районы, как в центральной и северной Европе. С другой стороны, считается, что лесс в Китае был выдуван в основном из таких пустынных районов, как Гоби.
Пустыни субтропических регионов также испытали эоловую активность в плейстоцене. В Австралии время пиковой засушливости и максимальной активности дюн (около 20 000–12 000 лет назад) коррелирует со временем пикового оледенения в Северном полушарии. То же самое было в Сахаре и других пустынях Африки, Индии и Ближнего Востока.
По одной из оценок, тропические засушливые зоны были в пять раз больше во времена пикового оледенения. Уровень моря в эти времена был ниже, вода была холоднее, а тропические циклоны были менее обширными, что приводило к уменьшению количества осадков.
Эти эпизоды усиленной эоловой активности зафиксированы в других записях плейстоцена. Океанические керны, взятые с подветренной стороны этих регионов, содержат ветровой осадок в тех частях керна, которые накопились во время максимальной эоловой активности.
Кроме того, микрочастицы встречаются в ледяных кернах, взятых из ледяных щитов Гренландии и Антарктиды, и концентрируются в периоды максимального оледенения и засушливости в субтропических пустынях.
В другие периоды климат был менее засушливым, площади пустынь сокращались, а растительность развивалась, стабилизируя дюны в более влажных (плювиальных) условиях.
Литосферные плиты продолжали смещаться в течение плейстоцена, но континенты по сути находились в своем современном положении в начале эпохи. Более важными для последующих четвертичных событий были тектонические движения позднего третичного периода, которые повлияли на эволюцию климата в сторону четвертичного периода. Среди них было образование Панамского перешейка, которое повлияло на океаническую циркуляцию, и поднятие Тибетского плато и обширных региональных областей западной части Соединенных Штатов, которое повлияло на атмосферную циркуляцию, в частности на положение и конфигурацию полярного струйного течения.
Вертикальные движения земной коры также были вызваны образованием и таянием крупных ледниковых щитов. Территория под ледниковым щитом проседает во время оледенения, поскольку кора не в состоянии выдержать вес ледника.
Эти изостатические движения происходят за счет движения материала в мантии Земли, а величина проседания составляет около одной трети толщины ледяного щита — например, около одного километра в центральной части Лаврентийского ледникового щита в Канаде.
Таяние ледяного покрова снимает нагрузку и заставляет землю подниматься или отскакивать. Такое поднятие происходит быстро поначалу, но со временем уменьшается. Более 300 метров поднятия произошло в восточной части Гудзонова залива с тех пор, как эта область была дегляциирована.
Значительный подъем также имел место до полного таяния ледяных щитов, и движение земной коры вверх продолжается и сегодня с максимальной скоростью около 1,3 сантиметра в год.
Аналогичные данные о гляциоизостатических корректировках встречаются в Фенноскандии, где самая большая депрессия и последующее поднятие, связанные со Скандинавским ледниковым щитом, расположены в Ботническом заливе.
Растения и животные плейстоцена во многих отношениях похожи на живущих сегодня, но существуют и важные различия. Более того, пространственное распределение различных типов плейстоценовой фауны и флоры заметно отличалось от того, что есть в настоящее время. Изменения климата и окружающей среды вызвали масштабные миграции как растений, так и животных, эволюционные адаптации, а в некоторых случаях и вымирание.
Изучение биоты дает не только данные о прошлых палеосредах, но и понимание реакции растений и животных на хорошо документированные изменения окружающей среды.
Особое значение имеет эволюция рода Homo в плейстоцене и вымирание крупных млекопитающих в конце эпохи.
Согласно Синю, эволюционные изменения в плейстоцене в целом были незначительными из-за короткого промежутка времени. Они были самыми большими среди млекопитающих. Фактически, эпоха была разделена на века млекопитающих на основе появления определенных иммигрантских или эндемичных форм.
Эволюция млекопитающих включала развитие крупных форм, многие из которых приспособились к условиям Арктики. Среди них были шерстистый мамонт, шерстистый носорог, овцебык, лось, северный олень и другие, населявшие холодные перигляциальные области.
Крупные млекопитающие, населявшие более умеренные зоны, включали слона, мастодонта, бизона, бегемота, дикую свинью, оленя, гигантского бобра, лошадь и наземного ленивца.
На эволюцию этих, а также гораздо более мелких форм частично повлияли три фактора: (1) в целом более прохладный и засушливый климат, подверженный периодическим колебаниям, (2) новые пути миграции, возникшие в основном в результате возникновения межконтинентальных связей в периоды более низкого уровня моря, и (3) изменение географии из-за поднятия плато и горообразования.
