Млекопитающие разделяются на три большие группы: однопроходные (утконосы и ехидны), сумчатые (кенгуру) и плацентарные. Эти группы, уже представленные в мезозое, в третичном периоде продолжили эволюцию. Особым разнообразием отличались в этот период плацентарные, поскольку исчезновение динозавров к концу мезозоя дало им возможность завоевать новую среду обитания.

Если первые млекопитающие мезозоя были очень небольшого размера и вели ночной образ жизни, многочисленные млекопитающие третичного периода обладали высоким ростом, а многие виды можно назвать гигантами. Так, носороги-жирафы были самыми крупными из наземных млекопитающих, когда-либо населявших Землю (их вес оценивается в 15 т, что эквивалентно весу двух очень больших слонов).

Разнообразие группы плацентарных млекопитающих связано с появлением многочисленных отрядов, неизвестных в мезозое. Некоторые из них дожили до наших дней: рукокрылые (летучие мыши), китообразные, хоботные (современные слоны), парнокопытные (коровы, олени и т. д.) и непарнокопытные (лошади).

Приматы. Отряд приматов разделяется сегодня на два подотряда: полуобезьян (современные лемуры) и обезьян (обезьяны и человек). Первые приматы, вероятно, появились в начале третичного периода, однако только ископаемые, возраст которых 55 миллионов лет, найденные в небольшом количестве почти повсеместно, могут быть достоверно отнесены к этом)’ отряду.

Главная цель изучения эволюции приматов, как правило, заключается в том, чтобы определить, в какое время линии, давшие начало различным группам современных приматов, отошли от линии, давшей начало человеку. Эти данные крайне неточны и пересматриваются при обнаружении каждого нового ископаемого или появлении новой интерпретации уже имеющихся результатов.

Наибольший интерес вызывает период, не посредственно предшествовавший ответвлению человекообразных от линии крупных африканских обезьян. Ученые не оставляют надежд наконец найти наиболее недавнего предка, общего для человека и шимпанзе; к сожалению, ископаемые, относящиеся к этому периоду (около 10 миллионов лет назад), очень редки. Период, следующий за расхождением ветвей человекообразных и больших обезьян, напротив, хорошо изучен. Обнаружено немало ископаемых австралопитеков, наиболее древних человекообразных, достоверно относящихся к тому времени; один из них, возможно, является прямым предком человека. Самые древние ископаемые, относящиеся к роду человека, датируются возрастом 2,4 миллиона лет (некоторые ученые считают, что больше), т. е. немного раньше конца третичного периода.