Великое остепнение захватывает в миоцене юго-восток и юг Русской равнины. В Сальско-Манычском районе степи появляются в среднем сармате. В отложениях верхнего сармата и понта (плиоцен) господствует уже почти безраздельно пыльца травянистых и кустарниковых растений. Только севернее, в Среднем Поволжье, преобладали леса.
В плиоцене в окрестностях Одессы обитали верблюды и страусы и на юге Русской равнины образовалась красноцветная кора выветривания и коричневые почвы, свидетельствующие о климате средиземноморского типа с жарким сухим летом и теплой дождливой зимой. Таким образом, как пишет К. К. Марков, великое остепнение охватило огромное пространство Евразии и других материков. Как видно, этот процесс растянулся на несколько миллионов лет.
В четвертичном периоде процесс остепнения еще более усиливается, а в ледниковые эпохи приобретает новый характер. Наравне с «теплой» степью образуется своеобразная «холодная» степь (тундро-лесостепье), элементы которой проникают к северу до района Полярного бассейна. Она известна только в четвертичном периоде. В межледниковые эпохи в средней полосе Русской равнины холодная степь вытесняется лесом, а в южной, по-видимому, сменяется лесостепью. Таким образом, остепнение становится направленно-ритмичным процессом.
Степь наступала на лес с востока и юга, и таким образом лесной пояс Северной Евразии становился более узким. Вероятно, в неогене он простирался к северу до современных северных пределов Евразии.