原始哺乳动物谱系，也在渐新世灭亡了。渐新世出现了一系列的奇异动物。美国的白河荒地原来即是一片半干旱草原，这里是许多不同种类的区域性动物，如古猪兽、骆驼科动物、犀科动物、中新马属动物、猎猫科动物和原角鹿科动物的繁衍地，这里还曾出现了早期的犬科动物黄昏犬。岳齿兽科动物作为北美洲特有的物种，在渐新世时期得到了广泛的分布。这时的亚洲大陆上巨犀亚科十分繁荣，其中的长颈副巨犀则是地球上出现过的最大的陆生哺乳动物。渐新世的海洋动物与现今的物种十分相似，如双壳纲动物。不过这个时期发现的海洋动物化石没有始新世和中新世丰富