Kenozoiska djur är de som har funnits under de senaste 65.5 miljoner åren, sedan utplåningen av dinosaurierna genom ett massivt asteroidangrepp som kallas KT-utrotningshändelsen. Efter KT-utrotningen var de primära kvarvarande landdjuren små reptiler och gnagarliknande däggdjur. Dessa gnagarliknande däggdjur diversifierades snabbt och kom att ockupera alla större nischer, lämnade tomma när dinosaurierna lämnade. Med en snabb ämnesomsättning, noggrann vård av sina ungar och en relativt stor hjärna, var däggdjur väl positionerade för att ta kontroll över terrestra ekosystem och bli de dominerande kenozoiska djuren.
De enda levande kenozoiska djuren omedelbart efter KT-utrotningen var små insektsätare med utmärkt hörsel och lukt men medioker syn. De tidigaste kenozoiska djuren var anpassade främst till att jaga på natten, då dinosaurier förmodligen var mindre aktiva på grund av deras långsammare ämnesomsättning. Dessa insektsätare differentierade sig till lagomorfer (kaniner, harar och pikas), fladdermöss, tidiga primater, äkta gnagare och näbbmus i slutet av paleocen, för cirka 55 miljoner år sedan, medan en annan linje utvecklades till förfäder till de flesta stora däggdjur idag – medlemmar av clade Ferae.
Ferae clade differentierade till förfäder till moderna köttätare (hundar, katter och björnar), klövdjur (hovdjur) och valar (valar, delfiner, etc.). De dominerande köttätarna under stora delar av det tidiga kenozoikumet var kreodonter, tidiga kusiner till köttätare; mesonykider, som var släkt med moderna klövdjur med jämntå men var köttätande; och entelodonter, som var stora grisliknande djur med benklumpar på sidan av kinderna, de brukade döda sitt byte.
De stora växtätande kenozoikumdjuren strålade mestadels från kondylarterna, en utdöd grupp djur som är den gemensamma förfadern till alla dagens klövdjur, inklusive kor, grisar, hästar, rådjur, flodhästar, noshörningar, kameler, elefanter, etc. De mest betydande händelse av evolutionär strålning inträffade när kondylarter ändrade sin diet till att inkludera växtmaterial, en förändring från den tidigare dieten som uteslutande var insektsätande. Det råder oenighet om exakt var och när dessa evolutionära händelser ägde rum.
Under kenozoikum anpassade sig däggdjur till att leva i både luften (fladdermöss) och haven (valar), i båda fallen utvecklade de uteslutande från landlevande förfäder. Blåvalen, ett marint däggdjur, blev vad som sannolikt är det största djuret genom tiderna, till och med större än de största bekräftade dinosaurierna. Många kenozoiska djur som trivdes tidigt under perioden är nu utrotade och lämnar bara sina ättlingar kvar.