Los ambientes desérticos del presente son, en términos geológicos, de origen relativamente reciente. Representan el resultado más extremo del progresivo enfriamiento y consiguiente aridificación de los climas globales durante la Era Cenozoica (hace 65,5 millones de años hasta el presente), que también condujo al desarrollo de sabanas y matorrales en las regiones menos áridas cerca de los márgenes tropicales y templados de los desiertos en desarrollo. Se ha sugerido que muchas familias de plantas típicas de los desiertos modernos, particularmente las que tienen un centro de diversidad asiático como las familias de los quenópodos y los tamariscos, aparecieron por primera vez en el Mioceno (hace 23 a 5,3 millones de años), evolucionando en el ambiente salino y seco del desaparecido Mar de Tethys a lo largo de lo que hoy es el eje Mediterráneo-Asia Central.
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Los desiertos también existieron probablemente mucho antes, durante antiguos períodos de clima árido global al amparo de cordilleras que los protegían de la lluvia o en el centro de extensas regiones continentales. Sin embargo, esto habría sido principalmente antes de la evolución de las angiospermas (plantas con flor, el grupo al que pertenecen la mayoría de las plantas actuales, incluidas las de los desiertos). Sólo unas pocas plantas primitivas, que podrían haber formado parte de la antigua vegetación del desierto, aparecen en los desiertos actuales. Un ejemplo es el extraño pariente de la conífera tumboa, o welwitschia, en el desierto de Namibia, en el suroeste de África. La welwitschia sólo tiene dos hojas, que son órganos coriáceos en forma de tiras que emanan del centro de un enorme tallo leñoso, principalmente subterráneo. Estas hojas crecen perpetuamente desde su base y se erosionan progresivamente en sus extremos. Este desierto también alberga otras plantas y animales peculiarmente adaptados al entorno árido, lo que sugiere que podría tener una historia continua de condiciones áridas más larga que la mayoría de los otros desiertos.