От креодонтов, перешедших к растительной пище, в самом начале палеогена зародились первые копытные, или кондилартры. Первоначально это были относительно мелкие (размером от куницы до волка) всеядные животные с умеренно длинными клыками, бугорчатыми коренными зубами и пятипалыми конечностями, в которых наиболее развитым был средний палец. От кондилартр произошли две ветви современных копытных — непарнокопытные и парнокопытные.
В эоцене появились хоботные, однако происхождение их неясно. Также неясным остается происхождение китообразных. От древних насекомоядных, по-видимому, ведут свое начало грызуны, неполнозубые, трубкозубые и приматы.
Эволюция млекопитающих протекала в течение всей кайнозойской эры. На суше преобладали цветковые растения, служившие важной кормовой базой для расселения и развития на разных континентах класса млекопитающих. Во многих случаях животные вынуждены были приспосабливаться к новым экологическим условиям. При этом предковые формы исчезали, а потомки становились более совершенными и превращались, по сути, в новые виды. Разделение континентов в кайнозойской эре привело к возникновению относительно изолированных зоогео-графических областей, сохранивших реликты древней фауны. В эпоху господства сумчатых полностью отделился Австралийский материк. Несколько позже от Северной Америки отошла Южная, сохранившая реликты фауны начала кайнозойской эры. К тому времени Южная Америка полностью утратила возможность обмена животными с другими материками. В начале палеогена Южную Америку населяло много млекопитающих, которые 40-30 млн лет назад развивались самостоятельно, без влияния пришельцев.
Первоначально в Южной Америке господствующее положение занимали сумчатые. По своим размерам они превышали опоссумов и были более плотоядными. В дальнейшем сумчатые становились крупнее и сильнее. В миоцене появились сильные и гибкие животные. Впоследствии они стали еще крупнее, достигнув размеров саблезубого тигра.
Населяющие Южную Америку плацентарные млекопитающие /в дальнейшем не превзошли сумчатых. Фауна плацентарных была представлена весьма разнообразными формами. Было много копытных четвероногих величиной от кролика до носорога, имевших резцы для обгладывания древесной растительности. Тоатерий походил на лошадь головой и длинными передними зубами, приспособленными для перетирания растительной пищи, а также прямым позвоночником и однопалыми тонкими ногами.
Предки броненосцев, ленивцев и муравьедов известны из раннепалеогеновых отложений Южной Америки. В процессе эволюции они образовали гигантские формы. Броненосец плейстоцена — глиптодон достигал в длину почти 1,6 м. У него была толстая, как бы бронированная шапка на голове, а также панцирь, покрывавший тело. Все это, естественно, требовало мощного скелета. В Южной Америке существовали гигантские наземные ленивцы. Некоторые из них были размером со слона. Гигантские муравьеды приспособились питаться термитами, они разоряли их гнезда мощными когтистыми передними лапами.
Установившаяся экосистема относительного равновесия сумчатых и плацентарных подверглась резким и сильным изменениям в позднем плиоцене. Тогда возник центрально-американский перешеек и впервые за 40 млн лет животные смогли свободно перемещаться между Северной и Южной Америкой. Более высокоорганизованные североамериканские млекопитающие обрекли на вымирание большинство коренных «южноамериканцев», в частности копытных и крупных сумчатых. И лишь незначительная часть южноамериканских млекопитающих проникла в Северную Америку. К ним относится опоссум, броненосец. Гигантские наземные ленивцы достигли Аляски.
В Северной Америке и Евразии происходила эволюция крупных животных — копытных и слонов. Эволюция лошадей изучена лучше всего. Основные ее этапы совершались в Северной Америке. К предкам лошадей относят гиракотерия (Hyracotherium) или эогиппуса (Eohippus)размером с небольшую собаку. Остатки этого предка датируются палеоценом. Однако гиракотерий мог быть также далеким предком других непарнокопытных — тапиров и носорогов.
Гиракотерий быстро передвигались в пространстве и питались преимущественно листьями кустарников. В эоцене и олигоцене размеры лошади увеличивались, ноги их удлинялись и стали трехпалыми, а зубы приспособились к подрезанию и измельчению листьев. В начале неогена возникли обширные пространства, покрытые травами. В результате у всех травоядных животных, обитавших на открытых равнинных просторах, появился хороший источник питания. В этих условиях лучше всего существовали лошади, зубы которых были как раз приспособлены для измельчения растительной пищи. Таким образом, лошади из животных, общипывавших листву кустарников и побеги, превратились в пасущихся животных. Правда, в миоцене небольшое количество лошадей еще населяло кустарниковую местность, и они сохранили трехпалые конечности. Животные достигали размеров современного пони. Дальнейшее развитие лошадей выразилось в образовании гиппарионовой фауны, широко распространившейся на обширных просторах Северной Америки и Евразии. Гиппарионы представляли собой небольших лошадей, у которых трехпалые конечности характеризовались резким уменьшением боковых пальцев и ярко выраженным копытом. От гиппарионов ведут свое происхождение предки настоящих лошадей современного рода Equus.