Η πρώιμη Καινοζωική εποχή, συμπεριλαμβανομένων των εποχών του Παλαιόκαινου και του Ηώκαινου, ήταν μια κρίσιμη περίοδος στην εξέλιξη των θηλαστικών. Γνώρισε την άνοδο διαφόρων μεγάλων ομάδων θηλαστικών, σηματοδοτώντας μια δραματική διαφοροποίηση στο μέγεθος των θηλαστικών και στους οικολογικούς ρόλους. Μερικά από τα πρώιμα μεγάλα θηλαστικά που εμφανίστηκαν κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου περιλαμβάνουν:
1. Κονδυλάρθοι: Αυτά ήταν φυτοφάγα ζώα που θεωρήθηκαν προγονικά σε μεταγενέστερες διαφορετικές ομάδες οπληφόρων όπως άλογα, χοίροι και ιπποπόταμοι.
2. Uintatheres: Μεγάλα φυτοφάγα ζώα γνωστά για τα χαρακτηριστικά κρανία με τρία κέρατα που θυμίζουν ρινόκερους.
3. Brontotheres: Τεράστια φυτοφάγα συγγενικά με άλογα αλλά πιο ογκώδη σε μέγεθος, αναγνωρίσιμα από τα μεγάλα κέρατά τους στο ρύγχος.
4. Andrewsarchus: Ένα από τα μεγαλύτερα σαρκοφάγα θηλαστικά που έχουν καταγραφεί στην ιστορία, συγκρίσιμο σε μέγεθος με μικρό ελέφαντα.
5. Βασιλόσαυρος: Ένα θηλαστικό που μοιάζει με φάλαινα που άκμασε στους αρχαίους ωκεανούς, προγενέστερο της εξέλιξης των σύγχρονων κητωδών όπως τα δελφίνια και οι φάλαινες.
Η Καινοζωική Εποχή ήταν σημαντική για την εξέλιξη των θηλαστικών με διάφορα μεγάλα θηλαστικά να καταλαμβάνουν διαφορετικές οικολογικές θέσεις που εκκενώθηκαν από την εξαφάνιση πολλών ειδών δεινοσαύρων στο τέλος της Κρητιδικής περιόδου.