Dzīvnieki Sauszemes faunas paleogēnā piedzīvoja būtiskas pārmaiņas. Planktona organismi īpaši smagi cieta krīta beigu masveida izmiršanā, un planktona ekosistēmas atradās tuvu sabrukumam: izmira vairāk nekā 90 % sugu ar kalcija karbonāta skeletiem. Tomēr aļģes un citi planktona organismi samērā ātri atjaunojās, par ko liecina liela izmēra zivju rašanās paleogēna jūrās. Pretēji planktona organismiem, pie gultnes eksistējošo dzīvnieku – bezmugurkaulnieku – daudzveidība atjaunojās tikai pēc 7 miljoniem gadu pēc krīta–paleogēna robežas. Vēlajā paleocēnā radās īpatnējie jūras eži ar plakanām bruņām, t. s. smilšu dolāri (sand dollars), kas spēj ļoti ātri ierakties smilšainajā gultnē. Koraļļu rifi atjaunojās nedaudz vēlāk, apmēram 8 miljonus gadu pēc izmiršanas, tomēr paleocēnā pastāvēja tikai nelielas atsevišķas kolonijas; eocēnā koraļļu rifi ātri progresēja, pieauga gan sešstarkoraļļu biomasa un aizņemtās platības, gan sugu skaits. Līdzās koraļļiem biezas audzes veidoja sārtaļģes un zaļaļģes, kuru lapoņi parasti viegli pārkaļķojas un to atliekas veido īpatnējus porainus kaļķakmeņus.
Eocēna jūras bezmugurkaulnieku fauna kļuva samērā līdzīga tai, kas sastopama mūsdienās, tomēr ir vērojamas būtiskas atšķirības sugu izplatībā: siltummīļu formas bija izplatītas attiecīgi tālāk uz ziemeļiem un dienvidiem no ekvatora. Oligocēnā daudzas siltummīļu gliemju un adatādaiņu formas vai nu atkāpās līdz ekvatoram, vai arī izmira; daudz sugu pārcēlās no polāriem apgabaliem uz mērenās joslas jūrām.
Paleogēna jūrās pirmo reizi Zemes vēsturē parādījās zīdītāji: vaļveidīgie, kas radās eocēnā, bet pašās epohas beigās arī jūras govis – mūsdienu lamantīnu un jūrasgovju senči. Oligocēnā no primitīviem zobainiem vaļiem (Archaeocetes) izcēlās mūsdienu zobainie vaļi (kašaloti, zobenvaļi un delfīni) un bezzobu vaļi (zilais valis, kuprītis un citi). Radās īpatnējā jūras zīdītāju grupa – desmostilīdi, kas izmira miocēna beigās. Pašās oligocēna beigās no ūdru radiniekiem izcēlās roņu senči.
Sauszemē paleocēnā mita galvenokārt tās pašas kukaiņu un zirnekļu grupas, kas raksturīgas mūsdienām, bet sugu sastāvs būtiski nomainījās. Salīdzinot ar krīta kukaiņu faunu, paleocēnā sugu daudzveidība bija krietni mazāka, ko noteica gan augu un kukaiņu masveida izmiršana krīta beigās, gan kukaiņu saglabāšanai labvēlīgo nogulumu retums. Atzīmējami gigantisko skudru, nakts tauriņu un pirmo dienas tauriņu atradumi Dānijā. Eocēnā kukaiņu sugu skaits palielinājās, un it īpaši daudz fosilo kukaiņu ir zināms no Baltijas dzintara, Parīzes baseina dzintara, Dānijas mālainiem diatomītiem un Lielbritānijas mālainiem kaļķakmeņiem. Interesanti, ka lielākā daļa eocēna kukaiņu pieder ģintīm, kas eksistē arī mūsdienās, bet to areāli ir stipri mainījušies – kopš eocēna areāli ir pārvietojušies ekvatora virzienā. Baltijas dzintars glabā visvairāk eocēna un oligocēna kukaiņu atlieku – gan sugu, gan paraugu. Īpaši daudzveidīgas ir mušu, odu, tauriņu sugas, bet dzintars satur arī bišu, skudru un termītu, kā arī daudz dažādu citu kukaiņu un citu posmkāju atliekas. Dzintarā atrastas vairāk nekā 30 bišu sugas, kas gan galvenokārt pieder izmirušajām sugām un ģintīm. Oligocēna kukaiņu sugas (pārsvarā izmirušās) lielākoties pieder mūsdienu ģintīm. Bagātīgas oligocēna kukaiņu faunas atklātas Amerikas Savienoto Valstu (ASV) Montānas pavalstī, kur tās saglabājušās kaļķakmenī, un Meksikas dzintarā.
Pēc dinozauru un citu lielo rāpuļu izmiršanas krīta beigās, kad izmira visi par 25 kg smagāki dzīvnieki, sauszeme neapšaubāmi piederēja zīdītājiem un putniem. Paleocēna zīdītāji galvenokārt bija samērā neliela izmēra, tāpēc to kauli slikti saglabājās un par paleocēna zīdītājiem ir iespējams spriest lielākoties pēc to zobiem. Agrajā paleocēnā savu daudzveidības maksimumu sasniedza daudzpaugurzobji – pilnīgi izmirušo zīdītāju grupa, kas dominēja starp zīdītājiem mezozojā un kas nav cieši radniecīga ar mūsdienu zīdītāju grupām. Daudzpaugurzobji kopumā atgādināja grauzējus, tomēr bija ekoloģiski daudzveidīgi; to sugu skaits samazinājās paleocēna beigās un tie pilnībā izmira eocēna beigās, iespējams, konkurences cīņā ar tādiem nesenas izcelsmes dzīvniekiem kā grauzējiem. Starp paleocēna zīdītāju atliekām atrod kloākaiņu, somaiņu un primitīvo placentāļu fosilijas. Tajā laikā radās dažas mūsdienu placentāļu zīdītāju formas – afrotēriji, nepilnzobji, grauzēji, primātu senču kārta Plesiadapiformes, senākie plēsēji, iespējamie nepārnadžu senči (dzimta Phenacodontidae). Tomēr lielākā daļa piederēja īpatnējām, tikai paleocēnam raksturīgām kārtām: dinocerātiem (Dinocerata), pantodontiem (Pantodonta), teniodontiem (Taeniodonta), tilodontiem (Tillodonta) un citām. Tās apvienoja liela izmēra augēdājus, no kuriem liela daļa pārtika no augļiem, ogām un lielām sulīgām lapām. Sugu skaita ziņā paleocēna zīdītāju lielākā kārta ir kondilartri (Condylarthra), pie kuras piederēja gan augēdāji, gan plēsēji.
Strauju evolūciju un daudzveidības pieaugumu paleocēnā piedzīvoja putni. Jau 4 miljonus gadu pēc krīta beigām, pateicoties dinozauru izzušanai un segsēkļu daudzveidībai, parādījās praktiski visas mūsdienu putnu kārtas, atskaitot lielos nelidojošos putnus (emu, nandu, strausi, kivi un to radiniekus), vistveidīgos un zosveidīgos, kas izcēlās jau krītā. Eiropā atrastas līdz 2 m augsta un masīva augēdāja putna Gastornis atliekas, kam paleocēnā šajā salu kontinentā nebija konkurentu starp zīdītājiem.
Eocēnā izcēlās lielākā daļa mūsdienu zīdītāju kārtu. Parādījās nepārnadži, pārnadži, primāti, sikspārņu un snuķaiņu arhaiskās formas. Eocēna zīdītāji–jaunpienācēji bija mazāki un slaidāki nekā paleocēna zīdītāji, lielākā daļa svēra mazāk par 10 kg. Iespējams, to var skaidrot ar eocēna pārāk karsto klimatu, kurā mazāka izmēra dzīvniekiem ir vieglāk saglabāt pastāvīgu ķermeņa temperatūru. Seno, paleocēna zīdītāju kārtas pakāpeniski izmira. Eocēna putnu faunā bija vairākas savdabīgas grupas, kas virspusēji līdzīgas mūsdienu putnu grupām. Starp papagaiļiem bija vairākas plēsoņu sugas; izplatījās liela auguma augēdāji Gastornis un dažas citas formas; sastopamas piekūnu, svīru, dzērvjveidīgo, vistveidīgo un primitīvo pingvīnu fosilijas.
Oligocēnā izcēlās lielākā daļa mūsdienu zīdītāju dzimtu. Starp jaunām nagaiņu formām bija primitīvi zirgi ar trīs pirkstu ekstremitātēm un degunradži no nepārnadžiem, kamieļi, brieži un pekari no pārnadžiem. Primitīvus plēsējus no kreodontu kārtas sāka izspiest plēsēju kārtas pārstāvji – caunas, jenoti, nimravīdi (kaķu senči), lāči un suņi. Daudzveidības “sprādzienu” piedzīvoja grauzēji un zaķveidīgie, jo atklāto biotopu platību pieaugums veicināja sēklēdāju zīdītāju sekmes. Savukārt grauzēji, piemēram, vāveres un citi, kas pārtiek no augļiem un riekstiem, kā arī primāti atkāpās uz tropiskiem mežiem un to sugu skaits samazinājās. Zirgiem, kamieļiem, entelodontiem un degunradžiem raksturīga bija ne tikai izmēru palielināšanās, bet arī pielāgošanās ātrai skriešanai atklātos biotopos, kā arī mainījās zobu sistēma, saistībā ar pāreju no mīkstās barības uz cieto – bieži vien ar putekļiem klātās zāles ēšanu. Izmira vairāki senāko grupu pārstāvji – lielie brontotēriji, daudzpaugurzobji, kreodonti. Pieaugot Austrālijas un Dienvidamerikas izolācijai no citiem kontinentiem, zīdītāju fauna šajos kontinentos attīstījās citādi nekā citviet. Austrālijā turpināja evolucionēt somaiņi un nedaudzie kloākaiņi – mūsdienu ehidnas un pīļknābja radinieki, bet Dienvidamerikā līdzās nedaudziem somaiņiem uzplauka savdabīgu nagaiņu grupas: degunradžiem ārēji līdzīgie astrapotēriji (Astrapotheria kārtas pārstāvji), vidēji lielie līdz ļoti lielie, ar garām kājām, ātri skrienošie litopterni un tiem cieši radniecīgie notoungulāti (morfoloģiski daudzveidīgie nagaiņi, izmēros no zaķa līdz degunradzim), un mastodontiem līdzīgie pirotēriji. Uz relatīvi nelielu laiku izolācijā nonāca Āfrika, kur turpināja eksistēt īpatnējie arsinoitēriji (ģints Arsinoitherium), kas ārēji nedaudz atgādina degunradžus ar pāra ragiem deguna galā, bet ir attāli radniecīgi ar snuķaiņiem, ziloņu radinieki mastodonti, klinšu damani un citas eksotiskas grupas. Eiropā oligocēnā strauji pieauga zīdītāju daudzveidība, starp tiem radās arī īsti giganti – bezragu degunradži indrikotēriji. Daži sasniedza 6 m augstumu un svēra līdz 20 tonnām, tādējādi kļūdami par visu laiku lielākiem zīdītājiem uz Zemes. Eirāzijā oligocēna vidū attīstījās primitīvie brieži, cūkas, vērši un žirafes, bet Āzijā augšējā oligocēna nogulumos atrastas pirmā kaķu dzimtas pārstāvja Proailurus atliekas; vēlāk šī ģints izplatījās arī Eiropā.