老第三系是老第三纪形成的地层，自下而上包括古新统、始新统、渐新统；均以陆相沉积为主，并伴有火山岩（玄武岩）。

仅在中国边缘地区如台湾、西藏、新疆、海南岛等地见有零星海相沉积，后又在江汉平原、苏北、山东等地见有有孔虫化石。由于四川运动（白垩纪后）的影响，古第三系与下伏岩层有显著不整合。因受喜马拉雅运动影响，地面隆起，古第三系上面有清晰侵蚀面，可与新第三系分开。

按地质沉积环境不同，中国老第三系可分如下类型。

①山间盆地堆积：四川运动后，气候干燥，在山间盆地沉积有红色砂岩、砾岩，有时夹石膏层、泥灰岩及灰岩。岩层倾向盆地呈15—20度角。如山东的官庄组（始新统—渐新统），湖南的东塘组（古新统），山西的垣曲群（上始新统至下渐新统）等，最厚达1000米。泥灰岩中含有丰富的哺乳动物及淡水平卷螺化石。

②褐炭相沉积：气候湿润条件下，盆地形成煤层，同时伴有玄武岩喷发。如辽宁抚顺煤田煤系厚达1000米，底部有凝灰砂岩、砾岩及页岩。玄武岩之上为主要煤层。

③蒙古地区准平原湖相堆积：自白垩纪至老第三纪，蒙古地区均有规模不大的湖泊密布地带，沉积有黄色砂页岩及泥灰岩。产哺乳动物化石。

④山麓堆积：主要分布于西北地区，如天山南北山麓堆积厚达千余米，以淡紫褐色砂页岩为主，下部为泥灰岩，含石膏，含油苗丰富。1987年，中国已探明塔里木盆地有较大的良好储油构造。

此外，喜马拉雅地槽老第三系分布明晰，可分东、中、西北三段。

东段：地槽发育典型，但缺失古新统，始新统与下伏白垩系呈不整合接触；纯碎屑岩，厚近万米。下部砾岩及页岩中含腹足类化石。中部砂岩含货币虫。上部砂岩产哺乳动物化石。

中段：厚度锐减，含石膏及煤层，属中、下始新统，其上地层缺失，与中新统呈不整合接触。

西北段：始新统，产货币虫，粘土夹石膏层及煤层。中国西藏地区始新世海相沉积广泛。