Các hóa thạch cổ nhất đã biết của phần lớn các bộ động vật có vú hiện đại đã xuất hiện trong một thời kỳ ngắn trong đầu thế Eocen. Vào đầu thế Eocen, một vài nhóm động vật có vú mới đã tới Bắc Mỹ. Các động vật có vú mới này, như động vật guốc chẵn, động vật guốc lẻ và linh trưởng, có các đặc trưng như chân, tay dài và mảnh dẻ, có khả năng nắm, túm, cũng như bộ răng đã phân biệt, thích nghi với việc nhai. Các dạng lùn ngự trị. Tất cả các thành viên của các bộ động vật có vú mới đều nhỏ, dưới 10 kg; dựa trên so sánh kích thước răng, các động vật có vú trong thế Eocen chỉ có kích thước khoảng 60% của các động vật có vú nguyên thủy trong thế Paleocen diễn ra trước đó. Chúng cũng có kích thước nhỏ hơn so với động vật có vú của các thế sau đó. Người ta giả thiết rằng nhiệt độ cao và nóng bức của thế Eocen là thích hợp hơn cho các động vật nhỏ, những động vật có khả năng thích nghi với nhiệt tốt hơn.

Cả hai nhóm động vật móng guốc hiện đại trở nên thịnh hành do sự trôi dạt ra chính của châu Âu và Bắc Mỹ; cùng với các động vật ăn thịt có móng guốc như Mesonyx. Những dạng động vật có vú hiện đại đầu tiên xuất hiện, bao gồm dơi (Chiroptera), động vật có vòi (Proboscidea), linh trưởng (Primata), động vật gặm nhấm (Rodentia) và Thú đơn huyệt (Marsupialia). Các dạng nguyên thủy cổ hơn của động vật có vú bị suy giảm kể cả về đa dạng cũng như tầm quan trọng. Các dấu tích hóa thạch của quần động vật đất liền quan trọng trong thế Eocen cũng được tìm thấy ở miền tây Bắc Mỹ, châu Âu, Patagonia, Ai Cập và Đông Nam Á. Các quần động vật biển được biết đến tốt nhất có ở Nam Á và đông nam Hoa Kỳ.

Các hóa thạch của bò sát trong thời kỳ này, chẳng hạn các hóa thạch của trăn và rùa, là khá phổ biến.

Trong thế Eocen, thực vật và quần động vật biển đã trở thành khá hiện đại. Nhiều bộ chim hiện đại cũng lần đầu tiên xuất hiện trong thế Eocen.

Một số nhà khoa học tin rằng những loài linh trưởng lần đầu tiên đã xuất hiện vào khoảng 55 Ma trong thời kỳ tầng Ypres của thế Eocen; tuy nhiên, đồng hồ phân tử và các phát hiện cổ sinh vật học mới cho rằng các linh trưởng đầu tiên đã xuất hiện sớm hơn, vào khoảng 90 Ma, nghĩa là trong kỷ Phấn Trắng.

Đại dương

Các đại dương trong thế Eocen ấm và dồi dào cá cùng các sinh vật biển khác. Các loài cá mập thật sự (Carcharhiniformes) lần đầu tiên xuất hiện, cũng như các động vật có vú sống dưới biển đầu tiên, như Basilosaurus, một trong những chi cá voi đầu tiên, được coi là hậu duệ của động vật trên đất liền, những động vật săn mồi có móng guốc như động vật vuốt giữa (Mesonychia), trong đó Mesonyx là một thành viên. Những thành viên đầu tiên của bộ Hải ngưu (Sirenia), các họ hàng gần của voi, cũng xuất hiện trong thời gian này.