Os dinossauros só tinham sido extintos cerca de dez milhões de anos quando o Eoceno começou. Os mamíferos evoluíram corpos maiores e tornaram-se mais diversos durante o Eoceno.
Mamíferos comedores de plantas incluíram antigos animais de cascos amassados chamados condilares, enquanto que os comedores de carne incluíram um grupo extinto de bestas semelhantes a cães chamados creodontes. Aves de terror carnívoras de oito pés de altura também reinavam durante o Eoceno.
Muitos grupos de animais “modernos” fizeram a sua primeira aparição no eoceno. Estes incluem os primeiros membros das ordens de elefantes, morcegos, baleias, animais de tracção uniforme (artiodáctilos) e os perissodáctilos de ponta ímpar. O primeiro cavalo, Hyracotherium (também conhecido como eohippus), apareceu no eoceno. É o primeiro membro da família dos equídeos, que inclui todos os cavalos extintos e o gênero moderno Equus.
Embora possamos começar a reconhecer certos tipos de mamíferos durante o eoceno, como carnívoros e perissodáctilos, eles têm pouca semelhança com os seus congêneres modernos.
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A Formação do Rio Verde de Utah-Colorado-Wyoming é um depósito lacustre, com uma grande extensão, da era Eocénica, famoso pelos seus fósseis de peixes Eocénicos.