Планетезимальный этап длился около 15 млн лет – примерно с 4565 до 4550 млн лет назад.
При попытке объяснить рост пылевых кластеров до метрового размера в допланетном диске ученые сталкиваются с двумя трудностями: дефицит «строительного» материала вследствие радиального дрейфа частиц во внутреннюю область диска, где они испаряются – к примеру, дрейф тел метровых размеров на 1 астрономическую единицу составляет 102 года, но скорость дрейфа тел 10-метрового размера − в 10 раз меньше. Поэтому дрейф пылевых агрегатов в зону испарения может предотвратить только относительно быстрый их рост. Вторая трудность − фрагментация крупных тел в результате разрушительных столкновений. Столкновения со скоростью, превышающей на 4% скорость звука, приводят к разрушению рыхлых объектов.
Растущие пылевые кластеры имели весьма пушистую структуру и весьма низкую объёмную плотность. Подобные космические тела с большими геометрическими поперечными сечениями должны иметь особый режим движения в газовой среде, (который мы пока не можем наблюдать нигде) и предполагается, что большая часть кластеров сталкивалась между собой на скоростях ниже критических значений, то есть кластеры чаще объединялись, чем разрушались. С другой стороны благодаря собственной гравитации, происходил рост плотности кластеров и эти объекты становились более устойчивыми. Кроме того учитывая, что столкновения происходили на попутных орбитах, вполне возможно, что контакт некоторых кластеров и планетезималей происходил путем касаний и постепенного вдавливания их друг в друга и вероятнее всего при нагревании они принимали кристаллическую структуру.

Аккумуляция пылевых частиц в планетезимали начиналась с момента появления в облаке наиболее высокотемпературных продуктов конденсации: корунд (Al2O3), перовскит (CaTiO3), шпинель (MgAl2O4), свободное железо (Fe) с примесью Ni, Co и Cr, анортит (CaAl2Si2O8), энстатит (MgSiO3), рутил (TiO2), щелочные полевые шпаты (Na,К)AlSi3O8), троилит (FeS), магнетит (Fe3O4). Об этом свидетельствует факт наличия в железных метеоритах и в углистых хондритах (каменные метеориты) богатых кальцием и алюминием включений минеральной группы Сa-Аl хондр (САI) – древнейших (4,567 млрд лет) минералогических образований в Солнечной системе, сложенных тугоплавкими минералами: корундом, гибонитом, гросситом, перовскитом, мелилитом, шпинелью и анортитом.
Особенности состава и структуры Сa-Аl хондр позволяют предположить, что в области формирования планет земной группы в протопланетном облаке были образованы планетезимали, состоящие из минералов САI и железо-никелевого сплава из которых формировались первичные зародыши планет при температуре от 1490 до 1050 градС. Некоторое время материал САl был единственным твердым веществом в протопланетном облаке и поэтому центральные части первичных зародышей были образованы САl минералами.
Са-Al образования представляют собой обособленные фрагменты, которые могли сформироваться только в том случае, если агломерация пылевых частиц, состоящих из этих минералов, происходила в момент их конденсации, когда другие, более низкотемпературные продукты в протопланетном облаке отсутствовали. Структура включений свидетельствует о том, что они прошли стадию плавления и кристаллизации расплава в телах размером в первые сотни километров.
Значительный объем в зародышах планетезималий занимало металлическое железо и силикаты, которые конденсировались вслед за минералами группы САI хондр. При этом количество железа в зародыше уменьшалось в направлении от центра к периферии. Существование железных метеоритов свидетельствует о том, что в определенном интервале температур происходила конденсация железо-никелевого материала без примеси силикатных минералов и поэтому в средней части первичных зародышей мог сформироваться слой преимущественно сложенный железоникелевым сплавом.

Хондрит углистый (каменный метеорит) Ефремовка. Находка 1962 года, Казахстан, Павлодарская область. Масса – 21кг. На снимке отпиленный кусок весом 391г. Возраст около 4,5 млрд лет. Состав: анортит, шпинель, железистый оливин, пироксены, кирштейнит, камасит, тэнит, троилит, микрокристаллы алмазов и группа кристаллов в Al-Ca хондрах (белые включения). В этом метеорите Al-Ca хондры являются наиболее древним (4,567 млрд лет) обнаруженным веществом Солнечной системы. Столь же древние Al-Ca хондры еще обнаружены в метеорите Альенде, упавшем в 1969 году в Мексике. Грань кубика равна 1см. Москва. Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского

По мере охлаждения протопланетного облака состав конденсата изменялся и, вслед за наиболее высокотемпературными фракциями, на поверхности планетезималий следует ожидать осаждение железа, а затем железо-силикатной смеси, соответствующей составу палласитов. При увеличении массы планетоидов (планетезимали размером примерно от 100 до 700 км и округлой формы) происходил их разогрев, обусловленный высоким содержанием коротко живущих радиоактивных изотопов, главным из которых является 26Al. Температура центральных областей планетоидов диаметром около 500 км могла достигать 1900 градС.
В отличие от конвекции вещества и гравитационного осаждения кристаллов в земной мантии и коре, процессы плавления и кристаллизации в планетезималях размером в первые сотни километров протекали почти в условиях невесомости, где плавление должно было проходить в диффузионном режиме, прежде всего на контакте зерен минералов. В этих условиях в агломерате образуются локальные очаги плавления, в которых состав расплава не находится в равновесии со средним составом агломерата. Из-за низкой скорости диффузионных процессов обмена компонентами могут также возникать капли неравновесных расплавов, не смешивающиеся друг с другом. Например, в оливин-плагиоклазовой смеси, вокруг растущего кристалла оливина возникает область расплава, обогащенная плагиоклазом. При закалке такой смеси может образоваться структура из кристаллов оливина, окруженных стеклом плагиоклазового состава, типичная для оливиновых хондр в хондритах.
При столкновениях планетоидов, имеющих тонкую холодную внешнюю оболочку и расплавленное или сильно-раскаленное ядро, жидкие фрагменты ядер в основном железного состава, могли объединяться, образуя металлические тела. Силикатные фрагменты (в том числе CAI) оставались в области питания планетезималей следующего поколения и формировали мантию планетоидов.
Таким образом, процесс формирования ядра планетоидов можно разбить на три этапа: 1 – образование первичных зародышей, в которых средняя оболочка сложена преимущественно расплавленным железом; 2 – образование вторичных зародышей, в которых железо-никелевый расплав занимает центральную область нового зародыша; 3 – объединение вторичных зародышей в одну растущую планету. Ядро продолжает расти и в дальнейшем за счет плавления железа и опускания к ядру расплава, поступающего на поверхность астероидного тела (уже обладающего заметной гравитацией) в составе хондритовых метеоритов.
Рост планет и образование астероидов представляли собой единый процесс, в котором конденсация из газовой фазы, осаждение сконденсированного вещества на растущую планету, выброс части осажденного материала в зону питания и формирование из него метеоритного вещества происходили одновременно.
По метеоритам, содержащим группу CAI, уточнена хронология событий в начале эволюции Солнечной системы:
1. Начало кристаллизации минералов группы CAI и свободного (самородного) железа – 4568-4567 млн. лет
2. Начало кристаллизации хондр углистых хондритов - 4566 млн. лет
3. Разделение метеоритного вещества на каменную и железную компоненты в Солнечной системе и начало роста планетоидных тел ~ 4560 млн. лет
4. Завершение основной стадии роста Земли ~4450 млн. лет
5. Самые древние цирконы Западной Австралии - 4350 млн. лет
6. Самый древний метаморфический комплекс Акаста (Канада) - 4050 млн. лет.