В триасе (251,4205,1 млн. лет назад) Восточно-Европейская платформа переместилась в зону умеренного климата. Причем поверхность современного Подмосковья продолжала оставаться сильно поднятой: господствовала суша, поэтому породы этого возраста на ней не сохранились. Их можно обнаружить, например, в Ярославской и Вологодской областях: там найдена богатая фауна водных и наземных позвоночных.
В юре (205,1142 млн. лет назад) зарождающийся Атлантический океан и только что раскрывшийся океан Тетис раскололи Пангею на два крупных континента: Гондвану (в Южном полушарии) и Лавразию (в Северном). Восточно-Европейская платформа вошла в состав последней вместе с Северной Америкой, Гренландией, Казахстаном, Сибирью, Китаем и Индокитаем. От Гренландии и Северной Америки она была отделена неглубоким проливом, на юге которого располагался архипелаг крохотных микроконтинентов, затем ставших частями Западной Европы. В ранней юре, как и в триасе, Подмосковье оставалось приподнятой сушей. Тогда в каменноугольных известняках, выступающих на поверхность, шли процессы карстообразования. А в средней юре суша стала опускаться, появилась сеть речных долин и крупных озёр.
Об обитателях того периода стало известно благодаря сравнительно недавней (1989 г.) находке отложений этого возраста в карьере Пески (Коломенский район Московской области) геологами Александром Арешиным и Павлом Фокиным, нашедшими в его отвалах остатки акул, двоякодышащих рыб и черепах мезозойского облика. Вскоре выяснилось: костеносные породы заполняли карстовые полости в каменноугольных известняках. Они как бы законсервировались, избежав размыва пришедшим в конце средней юры морем. Это стало сенсацией: ведь в Подмосковье обнаружили целое сообщество позвоночных, в их числе костные и двоякодышащие рыбы, акулы, химеры (хрящевые рыбы), амфибии, водные черепахи, ящерицы, динозавры, крокодилы и даже древние млекопитающие. Все они (кроме динозавров и млекопитающих) были обитателями большого пресного озера, куда стекались мелкие реки. Динозавры оказались родственниками небольших двуногих динозавров-хищников велоцирапторов. Найдены и остатки юрских растений, росших на берегах озера (папоротников, беннеттитов и саговников голосеменных растений, внешне похожих на пальмы, хвойных и др.).
В конце средней юры Подмосковье вновь залило мелководное море, просуществовавшее до конца юрского периода. В этом широком море-проливе, соединяющем Тетис с Бореальным океаном, обитали двустворчатые и брюхоногие моллюски, головоногие моллюски (аммониты и белемниты), брахиоподы, морские ежи и лилии, акулы и другие рыбы, а также крупные хищные ящеры плезиозавры и ихтиозавры.
Юрские континентальные отложения представлены галечниками, песками и глинами. Они распространены в пределах бывших речных долин и озёр, где их мощность иногда достигает 100 м. В них найдены небольшие запасы бокситов и бурого угля. Морские отложения того времени сложены в основном чёрными глинами, содержащими желваки (стяжения) фосфоритов, из которых производят ценное сельскохозяйственное удобрение.
В меловом периоде (14265,5 млн. лет назад) на просторах современной Московской области суша много раз чередовалась с морем. Когда оно наступало, то приходило с юга, из закрывающегося тёплого океана Тетис. В водоёме обитали двустворчатые моллюски, характерные для позднеюрских морей, но аммониты были уже другие часть из них переселилась сюда из Тетис. Затем тёплое море отступило, появилось другое, сообщающееся уже с Бореальным океаном, а потому холодное и малонаселённое. В конце раннего мела на его месте возникла обширная суша с сетью речных долин: по их берегам росли древовидные папоротники, хвощи и саговники, были здесь и недавно появившиеся цветковые растения, однако основу растительности составляли секвойи (высочайшие хвойные деревья, в настоящее время растущие лишь на небольшой территории в американском штате Аризона). До конца мела море несколько раз наступало и уходило, всё время перемывая собственные отложения.
Меловые отложения Подмосковья могут достигать больших мощностей до 150 м. Они сложены в основном чёрными фосфоритовыми глинами, песками, песчаниками и трепелами (пористыми породами, образованными кремнёвыми скелетами крохотных одноклеточных водорослей диатомей). Местами они обнажены эрозионными процессами и карьерными выработками. Основные полезные ископаемые мелового периода фосфориты и трепелы (используются как сорбент).