Thú tiền sử hay thú cổ đại hoặc còn gọi là động vật có vú thời tiền sử là các nhóm động vật có vú đã tuyệt chủng trước khi con người phát triển lịch sử thành văn. Qua quá trình phát triển lịch sử chúng đã tiến hóa thành các giống loài đa dạng. Hầu hết các động vật có vú rất lớn đã bị tuyệt chủng trong kỷ băng hà cuối cùng, nhưng có hậu duệ nhỏ hơn.