Het huidige oppervlak van de Messelgroeve ligt ongeveer 60 m onder het plaatselijke land en is ongeveer 0,7 km² groot. De oliehoudende leisteenlaag reikte oorspronkelijk tot een diepte van 190 m. 47 miljoen jaar geleden in het Eoceen, toen de afzettingen van de Messel werden gevormd, lag het gebied 10° zuidelijker dan nu. De periode was net na het Paleoceen-Eoceen Thermisch Maximum, en het klimaat en de ecologie van het gebied waren heel anders dan nu. Een grote reeks meren, omgeven door weelderige subtropische bossen, ondersteunde een ongelooflijke diversiteit aan leven. De bodem van het Messelmeer was waarschijnlijk een centrum voor de afwatering van nabijgelegen rivieren en kreken. De putafzettingen werden gevormd tijdens het Eoceen van het Paleogeen tijdperk, ongeveer 47 miljoen jaar geleden. Dit is gebaseerd op de datering van basaltfragmenten onder de fossielhoudende lagen.
Olieschalie, gevormd door de langzame anoxische afzetting van modder en dode vegetatie op de bodem van het meer, is het voornaamste gesteente op deze plaats.
De sedimenten strekken zich 130 m naar beneden uit en liggen op een oudere zandsteenbasis. De fossielen in de schalie vertonen een opmerkelijke helderheid en conservering als gevolg van de unieke afzettingskenmerken van het meer.
In de bovenste lagen van het meer was veel leven, maar de bodem was zuurstofloos. Omdat het water weinig werd verstoord, kwam er weinig zuurstof in de onderste lagen. Daardoor konden veel epifaunale (op de bodem levende) en infaunale (ingravende) soorten er niet leven. Daarom werden dode lichamen zo weinig beschadigd. Het omwoelen van de lagen van het meer (veroorzaakt door seizoensschommelingen) verlaagde het zuurstofgehalte aan de oppervlakte en leidde tot een periodieke "afsterven" van aquatische soorten. In combinatie met een betrekkelijk lage neerslag (0,1 mm/jaar) was dit een uitstekende omgeving voor de instandhouding van fauna en flora.
vrijkomend vulkanisch gas
Het gebied rond de Messelput was tijdens het Eoceen geologisch en tektonisch actief. Het vrijkomen van vulkanisch gas zou de verklaring kunnen zijn voor de grote afzetting van niet-aquatische soorten.
Door ondergrondse verschuivingen kwamen grote concentraties reactieve gassen (zoals kooldioxide en waterstofsulfide) vrij in het meer en de aangrenzende ecosystemen, waardoor vatbare organismen werden gedood. Tijdens deze verschuivingen kunnen vogels en vleermuizen in de buurt van het meeroppervlak zijn terechtgekomen, en kunnen terrestrische organismen aan de oever van het meer zijn overweldigd.
