Gli animali cenozoici sono quelli che sono esistiti negli ultimi 65.5 milioni di anni, dall’annientamento dei dinosauri da parte di un massiccio attacco di asteroidi chiamato evento di estinzione KT. Dopo l’estinzione di KT, gli animali terrestri primari rimasti erano piccoli rettili e mammiferi simili a roditori. Questi mammiferi simili a roditori si diversificarono rapidamente e arrivarono ad occupare tutte le principali nicchie, lasciate vuote dalla partenza dei dinosauri. Con un metabolismo veloce, un’attenta cura per i loro piccoli e un cervello relativamente grande, i mammiferi erano ben posizionati per assumere il controllo degli ecosistemi terrestri e diventare gli animali cenozoici dominanti.
Gli unici animali cenozoici viventi immediatamente dopo l’estinzione del KT erano piccoli insettivori con udito e olfatto eccellenti ma vista mediocre. I primi animali del Cenozoico si adattarono principalmente alla caccia notturna, quando i dinosauri erano probabilmente meno attivi a causa del loro metabolismo più lento. Questi insettivori si differenziarono in lagomorfi (conigli, lepri e pika), pipistrelli, primi primati, veri roditori e toporagni arboricoli nel tardo Paleocene, circa 55 milioni di anni fa, mentre un’altra linea si sviluppò negli antenati della maggior parte dei grandi mammiferi oggi – membri del clade Ferae.
Il clade Ferae si differenziava negli antenati dei moderni carnivori (cani, gatti e orsi), ungulati (ungulati) e cetacei (balene, delfini, ecc.). I carnivori dominanti per gran parte del primo Cenozoico erano creodonti, primi cugini di carnivori; i mesonichidi, che erano imparentati con i moderni ungulati ma erano carnivori; e gli entelodonti, grandi animali simili a maiali con protuberanze ossee ai lati delle guance che usavano per uccidere le loro prede.
I grandi animali erbivori del Cenozoico si irradiavano principalmente dai condilarti, un gruppo estinto di animali che sono l’antenato comune di tutti gli ungulati odierni, tra cui mucche, maiali, cavalli, cervi, ippopotami, rinoceronti, cammelli, elefanti, ecc. I più significativi evento di radiazione evolutiva si è verificato quando i condilarti hanno spostato la loro dieta per includere la materia vegetale, un cambiamento rispetto alla dieta precedente che era esclusivamente insettivora. C’è disaccordo su dove e quando esattamente questi eventi evolutivi hanno avuto luogo.
Durante il Cenozoico, i mammiferi si adattarono a vivere sia nell’aria (pipistrelli) che negli oceani (balene), in entrambi i casi evolvendosi da antenati esclusivamente terrestri. La balenottera azzurra, un mammifero marino, è diventato probabilmente l’animale più grande di tutti i tempi, persino più grande dei più grandi dinosauri confermati. Molti animali cenozoici che prosperarono all’inizio del periodo sono ora estinti, lasciando solo i loro discendenti.