Các quần động vật đất liền quan trọng trong thế Oligocen tìm thấy gần như trên mọi lục địa, ngoại trừ Australia. Cảnh quan thoáng đãng hơn cho phép động vật có thể phát triển với kích thước lớn hơn so với kích thước chúng có sớm hơn trong kỷ Paleogen[1]. Các quần động vật biển trở nên tương đối hiện đại, giống như các quần động vật có xương sống trên đất liền ở các lục địa phía bắc. Điều này có lẽ là do kết quả của các dạng cổ hơn đang biến dần đi hơn là kết quả của sự tiến hóa của các dạng hiện đại hơn.

Nam Mỹ khi đó dường như là cô lập với các lục địa khác và tại đây đã tiến hóa quần động vật hoàn toàn khác biệt trong thế Oligocen.

Động vật bò sát là phổ biến trong thế Oligocen. Choristodera, một nhóm bò sát hai cung bên (có thể là cận lớp Archosauromorpha?) sống bán thủy sinh, hình dáng tương tự như cá sấu và có nguồn gốc từ kỷ Jura (rất có thể là xa tới cuối kỷ Trias). Vào đầu thế Oligocen, nhóm Choristodera bị tuyệt chủng, có thể là do các thay đổi khí hậu. Rắn và thằn lằn đã bắt đầu đa dạng hóa ở mức độ nhất định.

Các động vật có vú bao gồm: Brontotherium, Indricotherium, Entelodont, Hyaenodon, Mesohippus. Các dạng tương tự như voi (Proboscidea), cũng hiện diện.

Quần động vật biển trong thế Oligocen là tương tự ngày nay, chẳng hạn như các động vật hai mảnh vỏ. Các dạng cá voi tấm sừng hàm và có răng vừa mới xuất hiện, và tổ tiên của chúng, cá voi cổ (Archaeoceti) vẫn còn tương đối phổ biến nhưng số lượng đã suy giảm khi thế Oligocen trôi đi do các thay đổi khí hậu cũng như do cạnh tranh với các nhóm cá voi hiện đại cùng cá mập thật sự (bộ Carcharhiniformes), cũng xuất hiện trong thế này. Các loài hải cẩu (siêu họ Pinnipedia) có lẽ đã xuất hiện vào gần cuối thế này từ các tổ tiên giống như gấu hay rái cá.