La principale cause est attribuée à l'impact de l'astéroïde de Chicxulub. Les gigantesques déséquilibres énergétiques causés par la collision ont conduit à un éventail complexe de réactions environnementales, telles que des incendies mondiaux et une réduction de la lumière solaire. Cela a engendré une chute brutale des températures connue sous le nom de "hiver d'impact".
Les principaux indices incluent des couches sédimentaires riches en iridium trouvé globalement autour de la limite Crétacé-Paléogène, trop élevées pour être d'origine terrestre. Le cratère de Chicxulub, localisé dans la péninsule du Yucatán, constitue également une preuve géologique monumentale corroborant ce modèle d'impact.
L'extinction massive durant cette période a entraîné la suppression des reptiles dominants, permettant aux mammifères et aux oiseaux de se diversifier énormément. Cette libération des niches écologiques jadis occupées par les dinosaures favorisait un foisonnement d'espèces aujourd'hui essentielles à l'équilibre naturel mondial.
Certains chercheurs explorent également les effets combinés de vastes épisodes de volcanisme au Deccan. Les éruptions libérèrent des quantités massives de gaz volcanique, exacerbant sans doute les conditions climatiques sévères déjà initiées par l'impact de l'astéroïde. Ensemble, ces éléments formèrent probablement un cocktail mortel responsable des extinctions abruptes.