Hewan Kenozoikum adalah hewan yang telah ada dalam 65.5 juta tahun terakhir, sejak pemusnahan dinosaurus oleh serangan asteroid besar yang disebut peristiwa kepunahan KT. Setelah kepunahan KT, hewan darat utama yang tersisa adalah reptil kecil dan mamalia mirip hewan pengerat. Mamalia mirip hewan pengerat ini dengan cepat melakukan diversifikasi dan menempati semua relung utama, yang dibiarkan kosong oleh kepergian dinosaurus. Dengan metabolisme yang cepat, perawatan yang cermat untuk anak-anak mereka, dan otak yang relatif besar, mamalia memiliki posisi yang baik untuk mengendalikan ekosistem terestrial dan menjadi hewan Kenozoikum yang dominan.
Satu-satunya hewan Kenozoikum yang hidup segera setelah kepunahan KT adalah insektivora kecil dengan pendengaran dan penciuman yang sangat baik tetapi penglihatan biasa-biasa saja. Hewan Kenozoikum paling awal diadaptasi terutama untuk berburu di malam hari, ketika dinosaurus mungkin kurang aktif karena metabolisme mereka yang lebih lambat. Insektivora ini berdiferensiasi menjadi lagomorph (kelinci, terwelu, dan pika), kelelawar, primata awal, hewan pengerat sejati, dan tikus pohon pada akhir Paleosen, sekitar 55 juta tahun yang lalu, sementara galur lain berkembang menjadi nenek moyang sebagian besar mamalia besar saat ini — anggota dari klad Ferae.
Klad Ferae dibedakan menjadi nenek moyang karnivora modern (anjing, kucing, dan beruang), ungulates (hewan berkuku), dan cetacea (paus, lumba-lumba, dll.) Karnivora dominan di sebagian besar Kenozoikum awal adalah creodont, sepupu awal dari karnivora; mesonychid, yang berkerabat dengan ungulata berkuku genap modern tetapi bersifat karnivora; dan entelodont, yang merupakan hewan mirip babi besar dengan tonjolan tulang di sisi pipinya yang mereka gunakan untuk membunuh mangsanya.
Hewan Kenozoikum herbivora besar sebagian besar berasal dari condylarth, kelompok hewan punah yang merupakan nenek moyang semua ungulata masa kini, termasuk sapi, babi, kuda, rusa, kuda nil, badak, unta, gajah, dll. peristiwa radiasi evolusioner terjadi ketika condylarth mengubah pola makan mereka untuk memasukkan materi tanaman, sebuah perubahan dari pola makan sebelumnya yang hanya bersifat pemakan serangga. Ada ketidaksepakatan tentang di mana dan kapan peristiwa evolusioner ini terjadi.
Selama Kenozoikum, mamalia beradaptasi untuk hidup di udara (kelelawar) dan lautan (paus), dalam kedua kasus berevolusi dari nenek moyang yang eksklusif di darat. Paus biru, mamalia laut, menjadi hewan terbesar sepanjang masa, bahkan lebih besar dari dinosaurus terbesar yang dikonfirmasi. Banyak hewan Kenozoikum yang berkembang pesat pada periode tersebut sekarang telah punah, hanya menyisakan keturunannya.