Händelsen - känd som Paleocene-Eocene Thermal Maximum, eller PETM - släppte ut över 3 biljoner ton kol i atmosfären från vulkanisk aktivitet eller metanutsläpp från havsbotten.
Detta fick den globala genomsnittstemperaturen att hoppa med 5 till 8 grader Celsius (cirka 9 till 14 grader Fahrenheit) under en period av cirka 20 000 år, vilket utplånade ett antal arter och orsakade en stor förändring i fördelningen av växter och djur.
Den här händelsen visar hur känsligt jordens klimat är för förändringar i kolcykeln och har konsekvenser för dagens klimatkris, säger Benjamin Burger från University of Arizona, huvudförfattare till en artikel som beskriver resultaten som publicerats i tidskriften Science.
"Vi visste att PETM var en stor sak, men vad vi fann var att den var ännu större än vi trodde. Detta är det mest betydande utsläppet av kol under de senaste 66 miljoner åren, och det orsakade den största temperaturökningen, sade han.
Forskargruppen analyserade fossila löv som samlats in från Tanzania, Ellesmere Island, Kanada och New Mexico. De använde avancerade tekniker för att uppskatta nivåerna av koldioxid i atmosfären vid den tidpunkt då löven bildades.
Resultaten visade att den atmosfäriska koldioxidkoncentrationen under PETM var cirka 2 500 miljondelar (ppm) jämfört med en förindustriell koncentration på cirka 280 ppm.
Den snabba ökningen av koldioxid orsakade en kraftig ökning av växttillväxten, vilket i sin tur ledde till en kylande effekt på klimatet, sa Burger. "Växterna sög allt det där extra kolet ur atmosfären, vilket var det som stabiliserade temperaturerna."
Forskargruppen hittade också bevis på en massutrotning av vissa typer av växter under PETM. Detta, tror de, orsakades av en kombination av den snabba temperaturökningen och förskjutningen i utbredningen av växtarter.
"Jag vill att folk ska tänka på vad som händer när du pumpar en enorm mängd kol i atmosfären väldigt snabbt," sa Burger. "Det gör att jordens klimatsystem förändras mycket snabbt, och det kan få katastrofala effekter."
