Конец Третичного периода в частности, и Миоцен, в особенности, были временами важных перемен. Некоторые группы ранне-Третичных млекопитающих исчезли, и группы, которые занимают важные места среди современной фауны вышли вперёд. Главными из них были непарно и парнокопытные, настоящие плотоядные и приматы (обезьяны). Тапиры (Palaeotapirus helveticus), которые процветали во время Олигоцена и дожили до поздне-Третичного периода, по прежнему удерживали свою территорию. Новые, крупные виды включали носорогов. Более мелкие виды со временем исчезли и были заменены крупными, большинство из которых было по прежнему безрогими, но иногда были очень интересно адаптированны (Teleoceras fossiger). Хоботные, чья эволюция началась с тапирообразных животных, также стали производить крупные виды. Их резцы постепенно стали бивнями, и у Миоценовых видов одна пара бивней была в верхней челюсти, а другая - в нижней. Другие зубы также видоизменились и их число уменьшилось на столько, что у поздних видов было только по паре зубов в каждой челюсти. Эти зубы всё увеличивались в размере, однако, и в настоящих слонах число зубных стенок увеличилось настолько, что зубы стали ламеллизированными. В то же время из носа и верхней губы образовался хобот. Ноги стали длиннее, но поскольку гибкий хобот мог подносить корм прямо ко рту, шея осталась старой длины или даже стала короче (Gomphotherium angustidens). Некоторые из хоботных, вроде Platybelodon'а (Platybelodon grangeri) показывали интересные типа специализации.
Эволюция лошадей также продолжалась (Merychippus primus). Число пальцев постепенно уменьшилось с пяти до трёх, и самый крупный (средний) нёс весь вес тела. Олени также продолжили эволюционировать во время Миоцена (Dicroceras elegans, Palaeomeryx kaupi), но их виды были пока мелкими и сравнительно примитивными. Прогресс были и у антилоп и жирафов, которые пока выглядели больше как неуклющие антилопы. Верблюды эволюционировали рядом с жирафами как ещё одни специалисты. Их первые виды напоминали скорее оленей или антилоп, а также более современные виды вроде ллам. Самые широкораспостранённые виды, дромадер (одногорбый) и бактриан (двухгорбый) являются исключительными видами, приспособленными для жизни в полупустыне или степи, где у них нет соперников. Жирафообразный Alticamelus (Alticamelus latus), который вёл такой же образ жизни, как и современные жирафы, и который являлся дальнейшим образцом эволюционной конвергенции, был другим высокоспециализированным видом.
Плотоядные звери прошли крупномасштабную эволюцию во время Миоцена, когда новые группы появились рядом с примитивными хищниками времён ранне-Третичного периода. Медвежьи хищники эволюционировали во время перехода с Олигоцена к Миоцену. Их первые представители, вроде Ursavus'а, были примерно размером с лицу или небольшую собаку. Их группа быстро раскололась на несколько эволюционных ветвей, которые отделились друг от друга в разные времена. В общем, можно утверждать, что медвежьи, во время Миоцена, образовали разнородную группу из древних видов, все из которых были всеядными, но во многих случаях были почти травоядными (пещерный медведь Плейстоцена, например). Виды размером с американского медведя-барибала известны только из отложений Плиоцена, а крупные медведи - из Плейстоцена. Несколько родов гиен также эволюционировало во время Миоцена, тогда как среди кошачьих, махайродонтиды, с их быстро удлиняющимися клыками, становились всё важнее и важнее.
На большинстве континентов (по крайней мере в северном полушарии), климат во время Плиоцена стал суше и холоднее. Леса сдвинулись к горам или районам ближе к экватору, тогда как более умеренные широты превратились в почти безкрайние саванны, того же сорта, что и африканские. Это было это расширение саванн, что сделало Плиоцен "золотым веком" бегающих животных. Главные животные в этом случае были копытными, которые образовали огромные стада, и хищники. Merychippus Миоцена стал Hipparion'ом (Hipparion mediterraneum) Плиоцена, типичным млекопитающим плиоценовых степей. Разные виды антилоп и оленей тоже стали широкораспостранёнными. В семействе жирафов появились такие виды как современные окапи и африканские жирафы. Жирафы Плиоцена владели гораздо большей территорией, чем их современный родич; например, их находили в южно-европейских степях (около Пикерми в Греции). Носороги теперь насчитывали крупные виды, у которых на носовых костях были рога, и которые были приспособленны для жизни в степи. Среди хоботных, мастодоны достигли пика своей эволюции (Tetralophodon angustidens). У них было две пары бивни, но верхняя постепенно становилась главной. Лесные дейнотерии (Deinotherium giganteum) эволюционировали совсем по другому. Крупные хищники эволюционировали рядом с крупными копытными. Главными из них были саблезубые махайродонтиды (Machairodus cultridens), хотя крупные хищники из числа настоящих кошек появились также.