El acontecimiento más espectacular en los ambientes terrestres del Cenozoico ha sido la diversificación y el ascenso al dominio de los mamíferos. A partir de unos pocos grupos de pequeños mamíferos de finales del Cretácico que vivían en la maleza y se escondían de los dinosaurios, más de 20 órdenes de mamíferos evolucionaron rápidamente y se establecieron a principios del Eoceno. Aunque hay algunas pruebas de que este evento de radiación adaptativa comenzó mucho antes del final del Cretácico, las tasas de especiación se aceleraron durante las épocas del Paleoceno y el Eoceno. A finales del Paleoceno, un importante episodio de recambio faunístico (extinción y originación) sustituyó en gran medida a muchos grupos arcaicos (multituberculados, plesiadápidos y ungulados «condilargos») por grupos esencialmente modernos como los perisodáctilos (que incluyen a los caballos, rinocerontes y tapires primitivos), los artiodáctilos (que incluyen a los camellos y los ciervos), los roedores, los conejos, los murciélagos, los proboscídeos y los primates.
En el Eoceno estos grupos se dispersaron ampliamente, migrando a través de una ruta septentrional, probablemente desde Eurasia a Norteamérica. A finales del Eoceno un episodio de enfriamiento global desencadenó cambios en la vegetación que convirtieron zonas de espesa selva tropical en bosques más abiertos y praderas, provocando así otro intervalo de recambio evolutivo que incluyó la desaparición de los últimos herbívoros primitivos, como los brontoterios. A partir de la época del Oligoceno, las comunidades de mamíferos terrestres estuvieron dominadas por representantes de los grupos de mamíferos que viven en la actualidad, como caballos, rinocerontes, antílopes, ciervos, camellos, elefantes, felinos y caninos.
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Estos grupos evolucionaron significativamente durante el Mioceno a medida que los cambios en el clima y la vegetación produjeron un hábitat de hierba más abierto. Comenzando con formas primitivas que tenían dientes de corona baja para hojear la vegetación frondosa, muchos mamíferos herbívoros evolucionaron con dientes especializados para pastar hierbas arenosas y extremidades largas para correr y escapar de depredadores cada vez más eficientes. A finales del Mioceno, en la mayoría de los continentes se establecieron comunidades de pastizales análogas a las presentes en las sabanas modernas de África oriental. La evolución de muchos grupos de mamíferos terrestres desde el Mioceno tardío se ha visto fuertemente afectada por las dramáticas fluctuaciones climáticas del Cenozoico tardío.
Migración de los mamíferos de Eurasia a América del Norte
La rápida diversificación evolutiva o radiación de los mamíferos a principios del Terciario fue probablemente una respuesta a la eliminación de los competidores reptiles por el evento de extinción masiva que tuvo lugar a finales del Cretácico. Sin embargo, los acontecimientos posteriores en la evolución de los mamíferos pueden haber ocurrido en respuesta a cambios en la geología, la geografía y las condiciones climáticas. A mediados del Eoceno, por ejemplo, la migración directa de los mamíferos terrestres entre América del Norte y Europa se vio interrumpida por la ruptura del Puente Terrestre de Thulean, una conexión que había existido antes de esa época. Aunque Europa quedó aislada de Norteamérica, Asia (especialmente Siberia) permaneció en contacto con Alaska durante el Eoceno tardío, y se produjeron repetidas migraciones a lo largo de las épocas del Oligoceno y el Mioceno.
Durante el Mioceno temprano, una oleada de inmigración de mamíferos desde Eurasia trajo a Norteamérica a los osos-perros (primeros ancestros de los caninos modernos del género Amphicyon), a los rinocerontes europeos, a las comadrejas y a una variedad de mamíferos parecidos a los ciervos. También durante esta época, los mastodontes escaparon de su aislamiento en África y llegaron a Norteamérica a mediados del Mioceno. Los caballos y los roedores evolucionaron a principios del Eoceno, y los primates antropoides surgieron durante el Eoceno medio. La inmigración de las faunas de mamíferos africanos, incluidos los proboscídeos (mamuts, mastodontes y otros parientes de los elefantes modernos), a Europa se produjo hace unos 18 millones de años (principios del Mioceno). El enfriamiento y la desecación climática durante el Mioceno condujeron a varios episodios en los que se expandieron los ecosistemas de pastizales y se produjeron diversificaciones evolutivas concomitantes de los mamíferos pastores.
Migración de mamíferos entre América del Norte y América del Sur
Durante el Plioceno tardío, el puente de tierra formado por el istmo centroamericano permitió que zarigüeyas, puercoespines, armadillos y perezosos terrestres migraran desde América del Sur y vivieran en el sur de Estados Unidos. Sin embargo, una oleada mucho mayor de animales típicos del hemisferio norte se desplazó hacia el sur y puede haber contribuido a la extinción de la mayoría de los mamíferos endémicos de Sudamérica. Estos invasores norteamericanos incluían perros y lobos, mapaches, gatos, caballos, tapires, llamas, pecaríes y mastodontes.