Najbardziej spektakularnym wydarzeniem w kenozoicznym środowisku lądowym było zróżnicowanie i dominacja ssaków. Z zaledwie kilku grup małych ssaków w późnej kredzie, które żyły w podszyciu i ukrywały się przed dinozaurami, ponad 20 rzędów ssaków szybko ewoluowało i zostało ustanowionych we wczesnym eocenie. Choć istnieją pewne dowody na to, że ta radiacja adaptacyjna rozpoczęła się na długo przed końcem kredy, tempo specjacji przyspieszyło w paleocenie i eocenie. Pod koniec paleocenu wielki epizod fluktuacji fauny (wymieranie i powstawanie) w znacznym stopniu zastąpił wiele archaicznych grup (wielożerne, plezjozwierzęce i kopytne „kłykciowate”) grupami zasadniczo nowoczesnymi, takimi jak peryskopowe (do których należą prymitywne konie, nosorożce i tapiry), parzystokopytne (do których należą wielbłądy i jelenie), gryzonie, króliki, nietoperze, proboscydia i naczelne.
W eocenie grupy te rozproszyły się szeroko, migrując północnym szlakiem, prawdopodobnie z Eurazji do Ameryki Północnej. W późnym eocenie epizod globalnego ochłodzenia wywołał zmiany w roślinności, które przekształciły obszary gęstych lasów deszczowych w bardziej otwarte lasy i łąki, powodując tym samym kolejny okres ewolucyjnego obrotu, który obejmował zniknięcie ostatnich prymitywnych roślinożerców, takich jak brontotery. Od epoki oligoceńskiej społeczności ssaków lądowych były zdominowane przez przedstawicieli współcześnie żyjących grup ssaków, takich jak konie, nosorożce, antylopy, jelenie, wielbłądy, słonie, kotowate i kły.
Grupy te ewoluowały znacząco w miocenie, gdy zmiany klimatu i roślinności spowodowały powstanie bardziej otwartych, trawiastych siedlisk. Począwszy od prymitywnych form, które miały nisko osadzone zęby do przeglądania roślinności liściastej, wiele roślinożernych ssaków wykształciło wyspecjalizowane zęby do pasienia się ziarnistymi trawami i długie kończyny do biegania i uciekania przed coraz skuteczniejszymi drapieżnikami. Do późnego miocenu na większości kontynentów powstały zbiorowiska trawiaste analogiczne do tych, które występują we współczesnych sawannach Afryki Wschodniej. Na ewolucję wielu grup ssaków lądowych od późnego miocenu duży wpływ miały dramatyczne wahania klimatu w późnym kenozoiku.
Migracja ssaków z Eurazji do Ameryki Północnej
Gwałtowne zróżnicowanie ewolucyjne lub promieniowanie ssaków we wczesnym trzeciorzędzie było prawdopodobnie głównie odpowiedzią na usunięcie konkurentów gadziego pochodzenia przez masowe wymieranie, które miało miejsce pod koniec okresu kredowego. Późniejsze wydarzenia w ewolucji ssaków mogły jednak nastąpić w odpowiedzi na zmiany geologiczne, geograficzne i klimatyczne. Na przykład w połowie epoki eocenu bezpośrednia migracja ssaków lądowych między Ameryką Północną a Europą została przerwana przez zerwanie mostu lądowego Thulean, połączenia, które istniało już wcześniej. Mimo że Europa została odcięta od Ameryki Północnej, Azja (zwłaszcza Syberia) pozostawała w kontakcie z Alaską w późnym eocenie, a powtarzające się migracje miały miejsce w epokach oligocenu i miocenu.
W okresie wczesnego miocenu fala imigracji ssaków z Eurazji przyniosła do Ameryki Północnej niedźwiedziowate (wczesnych przodków współczesnych kłów z rodzaju Amphicyon), nosorożce europejskie, łasice i rozmaite ssaki podobne do jeleni. Również w tym czasie mastodonty wydostały się z izolacji w Afryce i dotarły do Ameryki Północnej w połowie miocenu. Konie i gryzonie rozwinęły się we wczesnym eocenie, a naczelne antropoidalne pojawiły się w środkowym eocenie. Imigracja afrykańskich faun ssaków, w tym proboscydiów (mamutów, mastodontów i innych krewnych współczesnych słoni), do Europy nastąpiła około 18 milionów lat temu (wczesny miocen). Klimatyczne ochłodzenie i osuszenie w miocenie doprowadziło do kilku epizodów, w których ekosystemy trawiaste rozszerzyły się i nastąpiło ewolucyjne zróżnicowanie pasących się ssaków.
Migracja ssaków między Ameryką Północną i Południową
W późnym pliocenie most lądowy utworzony przez przesmyk środkowoamerykański umożliwił oposom, jeżozwierzom, pancernikom i leniwcom migrację z Ameryki Południowej i zamieszkanie w południowych Stanach Zjednoczonych. Znacznie większa fala typowych dla półkuli północnej zwierząt przeniosła się jednak na południe i mogła przyczynić się do wyginięcia większości ssaków endemicznych dla Ameryki Południowej. Do tych północnoamerykańskich najeźdźców należały psy i wilki, szopy, koty, konie, tapiry, lamy, pekari i mastodonty.