La Formación Cerrejón se divide en tres unidades: inferior, media y superior, basándose en el espesor y la distribución de los estratos carboníferos. En promedio, los mantos de carbón tienen unos 3 metros de grosor, aunque pueden variar entre 0,7 y 10 metros, siendo los más gruesos los situados en la parte superior. Según las asociaciones de litofacies y la composición paleobotánica, el ambiente deposicional fluctuó desde una llanura costera influenciada por estuarios en la base de la formación hasta una llanura costera fluvial en los niveles superiores.

En tiempos geológicos recientes, parte del carbón sufrió combustión espontánea de forma natural, generando un material rojizo similar al ladrillo y al clinker. Estas rocas afloran de manera irregular y pueden superar los 100 metros de espesor. El clinker aparece cerca de zonas deformadas, como fallas o pliegues cerrados, y es más antiguo que las propias deformaciones. Se cree que estas combustiones ocurrieron después del desarrollo de la falla de cabalgamiento y del abanico aluvial de Cerrejón. Los fósiles encontrados en la formación representan el registro más antiguo de selvas neotropicales, con abundantes macrofósiles vegetales y palinomorfos. También se han hallado restos de vertebrados ribereños, como peces pulmonados, tortugas, serpientes y crocodiliformes. Con base en estos fósiles y en la estratigrafía, se deduce que la Formación Cerrejón correspondía a una llanura costera cubierta por una selva húmeda atravesada por grandes sistemas fluviales.

Se estima que esta selva se encontraba en una paleolatitud cercana a los 5°N. Durante el Paleoceno, las temperaturas ecuatoriales eran considerablemente más altas que las actuales. A partir del tamaño de la serpiente gigante Titanoboa —cuyos restos se han encontrado en Cerrejón— se calcula que la temperatura media anual en la zona ecuatorial de Sudamérica oscilaba entre 30 °C y 34 °C, el rango mínimo necesario para que un animal poiquilotermo de ese tamaño pudiera sobrevivir.

Estos valores concuerdan con los modelos climáticos del Paleoceno, que indican un clima de efecto invernadero y una concentración atmosférica de CO₂ cercana a las 2.000 ppm. Sin embargo, las estimaciones basadas en asociaciones de hojas fósiles de Cerrejón sugieren temperaturas medias anuales entre 6 y 8 °C menores, aunque estos valores se consideran demasiado bajos debido a que provienen de flora ribereña y de humedales, menos representativa del clima general.

Aunque temperaturas medias de 30 a 34 °C serían excesivas para los bosques tropicales modernos, la selva de Cerrejón pudo mantenerse gracias a los elevados niveles de CO₂ y a una precipitación anual estimada en unos 4 metros.

El registro paleobotánico de la Formación Cerrejón es muy completo, con numerosos microfósiles vegetales excepcionalmente preservados, algunos incluso con estructuras celulares intactas. En comparación con las selvas neotropicales actuales, la diversidad vegetal es relativamente baja, lo que podría reflejar una etapa temprana en la diversificación de los neotrópicos o un lento proceso de recuperación tras el evento de extinción del límite Cretácico–Terciario.

Muchas plantas de Cerrejón pertenecen a familias que aún dominan las selvas neotropicales actuales. Entre ellas destacan numerosas palmas y leguminosas. Además, gran parte de la biomasa del bosque paleoceno estaba compuesta por laurales, malvales, Menispermaceae, Araceae y Zingiberales. Estudios de flora fósil del Cretácico indican que la vegetación anterior al límite K–T era muy distinta. Las leguminosas, por ejemplo, no aparecen en estratos cretácicos y probablemente surgieron o se diversificaron durante el Paleoceno.

La presencia de estas familias en Cerrejón demuestra que los componentes esenciales de las selvas neotropicales modernas ya existían desde hace decenas de millones de años, resistiendo cambios climáticos y geográficos en Sudamérica. Durante mucho tiempo se pensó que las selvas neotropicales eran producto de fluctuaciones ambientales del Cuaternario, pero el registro fósil de Cerrejón indica que la diversidad amazónica actual tiene raíces profundas en el Cenozoico temprano.

El daño producido por insectos herbívoros es evidente en muchos macrofósiles vegetales de Cerrejón. Cerca de la mitad de los especímenes estudiados muestran señales de alimentación por insectos, aunque estos eran mayoritariamente generalistas, a diferencia de los insectos neotropicales modernos, que suelen ser altamente especializados. No hay indicios de densidades elevadas de insectos ni de asociaciones específicas entre plantas y herbívoros, lo que sugiere una diversidad relativamente baja. Los restos de Titanoboa cerrejonensis se encontraron en una capa gris de arcilita bajo la veta de carbón 90 de la mina. Titanoboa es la serpiente más grande conocida, con una longitud estimada de 13 metros. Su pariente viviente más comparable sería la anaconda (Eunectes).

En la misma capa se describió en 2010 un crocodilomorfo dirosáurido llamado Cerrejonisuchus improcerus. Este pequeño dirosáurido posee el hocico más corto en proporción al cráneo de todo su grupo. Mientras muchos dirosáuridos eran marinos y tenían hocicos largos adaptados a capturar peces, el hocico corto de Cerrejonisuchus sugiere una dieta más generalista en un ambiente acuático transicional. Es posible que fuera presa de Titanoboa, ya que ambos compartían el mismo ecosistema fluvial. En 2011 se describió otro dirosáurido de la formación, Acherontisuchus, de mayor tamaño y con un hocico largo, más parecido a los dirosáuridos típicos.

La Formación Cerrejón contiene enormes vetas de carbón explotadas principalmente en la mina del Cerrejón. Este carbón es valorado por su bajo contenido de cenizas y azufre, así como por su resistencia a la aglomeración. La mina del Cerrejón es la mayor productora de carbón de Colombia y la operación minera de carbón más grande de América Latina, con una producción estimada de 28 millones de toneladas en 2006, la mayoría destinada a Europa.