Последний этап мезозойской эры -  меловой. Мел, образовавшийся из водорослей и осколков ракушек на дне теплых  и мелких морей, - самая характерная порода верхних слоев отложений мелового периода. Начался 135 млн лет назад и закончился 65 млн. лет назад – характеризуется  расцветом группы  хищных  ящеров – тираннозавров и др. видов, а также появлением первых примитивных млекопитающих.
Этот период знаменует собой коренную перестройку  животного и растительного мира.  Так исчезли беннеттитовые и цикадовые, из голосеменных растений почти вымерли гинкговые. На смену гигантским папоротникам пришли настоящие папоротники. Продолжается расцвет хвойных. Важным событием этого времени было появление покрытосеменных или цветковых, стоящих на высшей ступени эволюционного развития растений. К концу мела уже сформировались все основные роды современной флоры.
Меловой период для Казахстана характеризуется широким развитием платановых лесов, на юге сменившихся узколистными породами – вербоцветные, ореховые, дубы, пальмы. Покрытосеменные по мере охлаждения климата быстро расширили свой ареал и заняли господствующее положение на Земле.  Многообразен и мир насекомых, эволюция и распространение которых была тесно сопряжена с эволюцией цветковых растений. Продолжают развиваться головоногие моллюски – аммониты и белемниты. Аммониты достигали гигантских размеров – до 2 м в диаметре. В меловых морях бурно развивались и разнообразные морские позвоночные;  к концу мела костистые рыбы  завоевывают  пресноводные и морские водоемы, конкурируя с акулами.  Одновременно  получают распространение морские, пресноводные и наземные черепахи. Постепенно становится меньше ихтиозавров, но еще существуют морские ящеры – плезиозавры. Разнообразными были ящерицеобразные мозазавры (Mosаsaurus), которые в основном питались рыбой и беспозвоночными. В меловую эпоху появились настоящие крокодилы, а также летающие птеранодоны – они были похожи как и на рептилий так и на летучих мышей. Для этой эпохи  также характерны были и зубастые птицы – гесперорнисы и ихтиорнисы. Среди них встречались мелкие насекомоядные формы величиной с воробья и очень крупные с размахом крыльев до 8-15 метров рыбоядные, а возможно и падалеядные. Между передними и задними конечностями и боками тела была натянута тонкая летательная перепонка, между пальцами ног – плавательная перепонка.  Гесперорнисы  относились к ныряющим  бескилевым  птицам, которые обитали в водной среде второй половины меловой эпохи. Они имели сходство с современными гагарами, достигая размеров от 0,5 до 1,5  метров в длину, челюсти были снабжены 96 зубами.   В Казахстане остатки азиагесперорниса найдены в позднемеловых отложениях Кушмурунского карьера Костанайской области.
Из наземных форм у хищных динозавров происходило увеличение не только размеров, но и орудий нападения – зубов и когтей. Обладая  мощным  хвостом, массивными задними ногами эти большеголовые ящеры быстро бегали. К таковым относится  тираннозавр из Центрального Казахстана и монгольский тарбозавр, арстанозавр, аралозавр, утконосые гадрозавриды и др. Последние имели уплощенный конец морды сходный с утиным клювом.  Они были полуводными растительноядными животными. К концу эпохи  все динозавры вымерли.