Il Cenozoico è anche chiamato "Era dei Mammiferi". Tra questi, i sopravvissuti alla catastrofe planetaria che determinò la fine del Mesozoico, iniziarono fin dall'Epoca Paleocene (66-56 milioni di anni fa) quei processi evolutivi che li condussero a colonizzare l'intero Pianeta e a originare tutte le forme attuali uomo compreso.
Nell'Eocene (56-34 milioni di anni fa) alcuni Mammiferi, come ad esempio i Cetacei, si adattarono all'ambiente marino, mentre altri, come i Chirotteri, impararono a volare. Nell'Oligocene (34-23 milioni di anni fa) vissero i più grandi Mammiferi di terraferma mai esistiti, con specie che avrebbero potuto rivaleggiare coi grandi dinosauri sauropodi.
Nel Miocene (23-5,3 milioni di anni fa) e nel Pliocene (5,3-2,6 milioni di anni fa) cominciarono ad evolversi tutte le forme che popolano oggi il nostro Pianeta. Fra queste i Primati che, già presenti durante l'Eocene, subirono quei processi di specializzazione che li avrebbero portati a evolversi sia in scimmie sia in uomini.
Nell'Epoca Pliocene iniziò quel processo di umanizzazione che proseguì per tutto il Pleistocene (2,6 milioni – 11 mila anni fa), durante il quale l'evoluzione anatomica venne affiancata da quella culturale.
I nostri antenati, dagli australopitechi alle vere e proprie forme di Homo, cominciarono infatti un lungo cammino di conquiste tecnologiche e poi culturali: l'attività della ricerca del cibo e della caccia poté avvalersi di armi, a partire dalle pietre rozzamente scheggiate; venne sfruttato il fuoco per scaldarsi, cucinare e tenere lontani i pericoli; dalla ricerca di ripari naturali, come le caverne, si passò alla costruzione di capanne e a ricoprire il proprio corpo di pelli per difendersi dal freddo, ampliando di conseguenza l'areale di distribuzione; l'affinamento di tecniche e conoscenze e delle capacità di viaggio portarono, alla fine dell'Epoca Pleistocene (11.700 anni fa), a colonizzare tutte le aree del mondo.
Durante il Pleistocene, caratterizzato da intervalli glaciali freddi e interglaciali più caldi, tutti gli altri animali moderni erano ormai presenti sulla Terra. Alcuni grandi mammiferi, come il Mammut lanoso, l'orso delle caverne e la tigre dai denti a sciabola si estinsero prima dell'inizio dell'Olocene (da 11 mila anni fa a oggi).
Fu nel 3.000 a.C. circa, con la comparsa delle prime forme di scrittura in Cina, Egitto e a Sumer, che la Preistoria cedette il passo alla Storia.