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距今3370万年至530万年前，是地质年代的渐新世和中新世。当地质年代进入渐新世时，南极洲出现永久冰层，并不断扩展，到了中新世时期，它已经覆盖了整个南极大陆，全球气候随之变得清凉，各地出现了大面积的草原。这时，许多冷血爬行动物和两栖动物早已灭绝了，而能够调节体温的哺乳动物却进一步进化。
在渐新世和中新世时期，曾经在始新世繁荣兴盛的热带森林逐渐衰退，成片的草原占领了它的地盘。这时，许多现代比较常见的动物开始出现了。如陆地上常见的马、象、骆驼、猴和类人猿等，海洋里则出现了大白鲨、鲸鱼和海豹等动物。
大约在3600万年前，地球温度有所下降，大片的陆地被草原覆盖。这时，最早的猿类出现了，地球上随处可见大型哺乳动物和鸟类的足迹。但是，最大的动物却不是最凶残的。那些小型猎食动物反而是陆地上最险恶的生灵。剑齿虎是最早的杀手，它们拥有一对长长的獠牙，经常捕猎黄鼠狼、仓鼠和河狸等体型更小的动物。
一种叫做巨犀的无角犀牛是迄今最大的陆生哺乳动物。它身高约4.8米，体重达15吨，外形更像一个长颈鹿和犀牛的杂交产物。还有一种体型庞大的动物，被称为“雷兽”。它们最早其实是像猪一样大小的哺乳动物，只是随着环境的变化而演化成了像王雷兽一样的巨型植食性动物。
与此同时，南美大陆仍然与世界其他部分相分离。这一地区仍旧独立地发展出一群奇特的动物。其中，某些有袋类哺乳动物乍看起来很像狼和熊。如体长1.5米的南美袋犬，它们酷似现在的熊，喜欢捕捉一种笨重的像马和骆驼一样的动物。
到了中新世，草原仍继续扩展。成群的马、骆驼、大象和羚羊在陆地上游荡着，由于没有树林的遮挡，它们完全暴露在掠食者面前，因此不得不时刻保持警惕。
这一时期，森林古猿分布较广，到了中新世末期，类人猿与大型猿类分开演化，具有现生猿类和人类特征的类人猿开始出现。
海洋动物的变化也比较大。在渐新世时期，鲸类不断扩张。须鲸类和不少齿鲸类开始在海洋里活跃起来。到了中新世时期，加利亚海湾出现了一种体型足以和虎鲸相提并论的巨型剑吻海豚科。
埃及猿是最早出现的旧世界猴类群，它们的脑部比较大，牙齿较少。