Die derzeitige Oberfläche der Grube Messel liegt etwa 60 m unter dem örtlichen Gelände und hat eine Fläche von etwa 0,7 km². Das Ölschieferbett erstreckte sich ursprünglich bis in eine Tiefe von 190 m. Vor 47 Millionen Jahren im Eozän, als die Messel-Lagerstätten entstanden, lag das Gebiet 10° weiter südlich als heute. Die Periode lag kurz nach dem paläozän-eozänen thermischen Maximum, und das Klima und die Ökologie der Stätte waren ganz anders als heute. Eine große Reihe von Seen, umgeben von üppigen subtropischen Wäldern, unterstützte eine unglaubliche Vielfalt an Leben. Das Messeler Seebett war wahrscheinlich ein zentraler Punkt für den Abfluss der nahe gelegenen Flüsse und Bäche. Die Grubenablagerungen entstanden während der Eozän-Epoche des Paläogens vor etwa 47 Millionen Jahren. Dies beruht auf der Datierung von Basaltfragmenten unter den fossilführenden Schichten.
Ölschiefer, der durch die langsame anoxische Ablagerung von Schlamm und abgestorbener Vegetation auf dem Seeboden gebildet wird, ist das Urgestein der Stätte.
Seine Sedimente erstrecken sich 130 m nach unten und liegen auf einem älteren Sandsteinfundament. Die Fossilien innerhalb des Schiefers zeigen aufgrund der einzigartigen Ablagerungseigenschaften des Sees eine bemerkenswerte Klarheit und Erhaltung.
In den oberen Schichten des Sees gab es viel Leben, aber der Boden war anoxisch. Da das Wasser nicht sehr gestört war, gelangte wenig Sauerstoff in die unteren Schichten. Dies verhinderte, dass viele epifaunale (bodenlebende) und infaunale (wühlende) Arten dort leben konnten. Deshalb wurden die Leichen so wenig geschädigt. Das Umkippen der Seeschichten (verursacht durch jahreszeitliche Schwankungen) senkte den Sauerstoffgehalt nahe der Oberfläche und führte zu einem periodischen "Absterben" aquatischer Arten. Kombiniert mit einer relativ niedrigen Ablagerungsrate (0,1 mm/a) war dies ein hervorragendes Umfeld für die Erhaltung von Fauna und Flora.
Freisetzung von vulkanischem Gas
Das Gebiet um die Grube Messel war während des Eozäns geologisch und tektonisch aktiv. Die Freisetzung vulkanischer Gase könnte für die große Ablagerung nicht-aquatischer Arten verantwortlich sein.
Durch unterirdische Verschiebungen wurden große Konzentrationen reaktiver Gase (wie Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff) in den See und die angrenzenden Ökosysteme freigesetzt, wodurch anfällige Organismen getötet wurden. Während dieser Freisetzungen könnten Vögel und Fledermäuse in der Nähe der Seeoberfläche hineingefallen sein, und Landtiere könnten in der Nähe des Seeufers überwältigt werden.
